自定义类型的解析——结构体详解_匿名结构体

1. 匿名结构体类型

结构体的完全声明：

 
struct tag
{
    member_list;
}variable_list;
//结构体的标签：tag
//结构体的类型：struct tag
//结构的成员列表：member_list
//结构体变量列表：variable_list

当不完全声明时，比如说省略结构体的标签，这时，这种结构体就被称为匿名结构体。

匿名结构体也称为未命名结构体，由于没有名称，因此不会创建它们的直接对象（或变量），通常我们在嵌套结构或联合中使用它们。

值得注意的是，匿名结构体类型可以说是“一次性用品”，用了一次以后再也用不了了。

 
struct 
{
    char c;
    int a;
    double d;
}s1;
struct
{
    char c;
    int a;
    double d;
}* p1;//一个看上去指向和s1相同类型的指针
int main()
{
    p1 = &s1;//这样写是不可以的，编译器会认为它是两个不同的类型
    return 0;
}

如上代码是错误的，虽然两个匿名结构体，看上去它们的成员都是一样的，表面上是同一类型，但实际上他们是两种不同的类型。因此，因为在定义的时候没有写结构体类型名称，编译器会把它们当做两种不同的类型，然后报错。

匿名结构体的优点：

嵌套在结构体中的结构体为匿名结构时，可以直接访问其成员。

 
#include <stdio.h>  
  
struct Stu  
{  
    char* name;  
    char  gender;  
    int   age;    
    struct//嵌套定义了这个匿名结构体
    {  
        int  Student_ID;  
        long phone_number;  
    }; 
};  
  
int main(void)  
{
    struct Stu A= {"A", 'M', 19, {30, 13930422035}};
    printf("%d\n", A.Student_ID);     
} 

如果不使用匿名结构体，则上述例子会变成这样：

 
#include <stdio.h>  
 
struct Stu_information
{
    int  Student_ID;
    long phone_number;
};
  
struct Stu A  
{  
    char*  name;  
    char   gender;  
    int    age;  
    struct Stu_information;
};  
  
int main(void)  
{
    struct Stu A = {"A", 'M', 19, {30, 13930422035}};
 
    printf("%d\n", A.Stu_information.Student_ID);     
} 

对比上述两个例子可以看出：

使用匿名结构体，结构体对象 A 可以通过 A.Student_ID直接访问匿名结构体成员变量 .Student_ID，代码比较简洁，反之则必须通过A.Stu_information.Student_ID 来访问结构体成员变量 ，比较繁琐。

1. 结构体的自引用

我们不由地思考一个问题，结构体把自己当作自己的一个成员变量，这是否可行呢？

 
struct Node
{
    int date;
    struct Node n;//错误！
};

结论是：这样写是绝对错误的！

请想一想，如果我们想要求struct Node 的大小，其中，成员data占4个字节，那么struct Node n成员的大小是多少呢？

这就陷入了一个思维上的死循环：要求它自己的大小，那么首先就要求它自己的大小？这是什么鬼啊？！

所以这样写是绝对不可以的！！！

那么，如果想要正确的自引用，我们应该怎么做呢？

这里要先补充一点关于“数据结构”的知识：

数据的存储可以有很多方式，比如“顺序存储”、“二叉树”等等，这些存储方式都可以让我们很顺利地从一个数据找到另一个数据。

所以，关于结构体的自引用，我们可以把它看作是通过一个结构体，可以找到下一个结构体。这样一个一个像线一样访问数据，即“线性数据结构（通过链表方式可以顺序访问内存空间中不相邻的数据）”，我们就要使用到结构体指针。而指针的大小跟其所指向的类型无关，仅跟编译器有关，32位平台上指针大小为4个字节，在64位平台上，指针大小为8个字节。所以，通过指针大小的确定性，我们就可以确定结构体类型的大小了。

 
struct Node            //结构体的自引用
{
    int date;
    struct Node* next;
};
int main()
{
    struct Node n1;
    struct Node n2;
    n1.next = &n2;//这样就可以通过n1找到n2了.
    return 0;
}

相当于每个结构体，前面存数据，后面下一个结点地址的指针，通过该结点可以找到下一个结构体。

匿名结构体的重命名+自引用：

 
typedef struct 
{
    int data;
    int d;
}Node;     //一种错误的写法
 
typedef struct  Node 
{
    int data;
    int d;
}Node;    //正确
 
 
struct 
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node1;
//结构体在未定义Node之前就定义了一个Node*的指针,这样是错误的！！！
 
typedef struct             
{
    int date;
    struct Node* next;//在此之前，都没有出现Node
}Node;
//把一个匿名结构体重命名为Node？不可以！
 
 
//正确的写法是这样的：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;

1. 结构体的初始化：

 
struct S
{
    int a;
    char c;
};
struct F
{
    int a;
    char arr[10];
    struct S;
};
int main()
{
    struct F pd= { 12,"sgdkjklaj",{345,'o'}};//结构体的嵌套初始化
    struct S s2 = { 2000,'p'};//默认顺序初始化
    struct S s3 = { .c = 'r',.a = 2000 };//自己确定初始化的顺序
}

1. 结构体的内存对齐原则：

1.第一个成员永远在结构体变量偏移量为0的地址处。

2.从第二个成员开始，以后每个成员变量都要对齐到某个数字(对齐数)的整数倍的地址处。

这个对齐数=编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。

• vs2017环境中，VS编译器默认的值为8

• 一个是Linux环境，gcc编译器下，没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3、当成员全部存放进去后，结构体总大小必须是所有成员的对齐数中最大对齐数(每个成员变量都有一个对齐数)的整数倍。如果不够，则浪费空间。

4、如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员要对齐到自己成员的最大对齐数的整数倍处。结构体的整体大小就是所有最大对齐数(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。

接下来，让我们举一些例子：

为什么会存在内存对齐呢？

1.平台原因(移植原因)∶不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的; 某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。（所以我们对齐到能够被硬件访问的位置，在对齐位置进行存储数据）

⒉性能原因∶数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。

原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问;

而对齐的内存访问仅需要一次访问。它能够提高效率。

总体来说︰ 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

64位平台上，编译器一次访问8个字节。

但是，节省空间不能无脑地节省空间啊。

如果既要满足对齐，又要节省空间，怎么办呢？

解决方案：把占用空间较小的数据集中在一起。

 
struct s1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};//12个字节
struct s2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
    
};//8个字节

设置默认对齐数：

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数来满足需求。

如何修改默认对齐数呢？通过#pragma修改。

 
#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct s1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
 
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1，这样其实相当于根本没有对齐数了。
struct s2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct s1));
    printf("%d\n", sizeof(struct s2));
    return 0;
}

offsetof，这是一个宏，用来计算结构体成员相对于结构体起始位置的偏移量

 
#include<stddef.h>
struct S
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
int main()
{
    struct S s = {0};
    printf("%d\n",offsetof(struct S,c1));  //0
    printf("%d\n", offsetof(struct S, c2));//1
    printf("%d\n", offsetof(struct S, i)); //4
    return 0;
}

1. 结构体传参

 
#include <stdio.h>
struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = { {1, 2, 3, 4}, 1000 };
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
    printf("%d \n", s.num);
}
// 结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
    printf("%d \n", ps->num);
}
int main()
{
    print1(s);//传结构体
    print2(&s);//传结构体地址，用一个结构体指针接收
    return 0;
}

上面的print1和print2哪一个更好呢？

print2更好一点

对于结构体的传参首选传递地址，原因如下：

函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。

如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

那么如何应对传地址的不安全性呢？很简单，用一个const 就可以了。

1. 位段

什么是位段 ?

位段的声明和结构是类似的，但是有两点不同︰

1.位段的成员必须是int、unsigned int，signed int、char这些整型家族的类型。

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

 
#include<stdio.h>
struct A
{
    int _a : 2;       //int _a; 
    int _b : 5;       //int _b;
    int _c : 10;      //int _c;
    int _d : 30;      //int _d;这是结构体
};
int main()
{
    struct A sa={0};
    printf("%d\n", sizeof(sa));
    return 0;
}

位段位段，“位”指的是二进制位。

如果_a只会存储0，1，2，3（00，01，10，11），那么这个时候2个比特位就够了。所以位段是一种更节省空间的方法。

 
#include<stdio.h>
struct A
{
    int _a : 2;        
    int _b : 5;       
    int _c : 10;      
    int _d : 30;      
};//47个比特位
//实际上占了8个字节
//当然，这已经很节省空间了！

位段的空间上是按照需要以4个字节（int ）或者1个字节（char）来开辟的。

位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。（所以一些细节方面不能够确定下来）

现在还有一些问题待确定：

1、空间是从左向右使用还是从右向左使用？

2、当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用呢？

 
#include<stdio.h>
        struct S
{
    char a : 4;
    char b : 3;
    char c : 5;
    char d : 4;
}s;
int main()
{
    struct S s = { 0 };
    s.a = 10;
    s.b = 12;
    s.c = 3;
    s.d = 4;
    return 0;
}

但是，这些在不同编译器上都是不同的！

位段的跨平台问题：

1.int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2.位段中最大位的数目不能确定。(16位机器最大16，32位机器最大32），写成27，在16位机器会出问题。

3.位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。

4.当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

总的来说，跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好地节省空间，但是有跨平台问题。

位段的应用：

关于位段的一些练习题：

 
#define MAX_SIZE A+B
struct _Record_Struct
{
  unsigned char Env_Alarm_ID : 4;
  unsigned char Para1 : 2;
  unsigned char state;
  unsigned char avail : 1;
}*Env_Alarm_Record;
struct _Record_Struct *pointer =
 (struct _Record_Struct*)malloc(sizeof(struct _Record_Struct) * MAX_SIZE);

问：当A=2， B=3时，pointer分配（ ）个字节的空间？

位段成员作为unsighed char类型，是按1个字节开辟内存的，第一个成员Env_Alarm_ID开辟一个字节等于8个bit位，被Env_Alarm_ID用去4个bit，还剩4个bit可以给Para1用。Para1用去2个bit,故位段Env_Alarm_ID , Para1一共用一个字节；

state不是位段重新开辟一个字节的内存，它直接占一个字节；

位段avail只占1个bit,但也要开辟1个字节的空间用来存放。

所以前面的算下来总共开辟了3个字节的空间。

(sizeof(struct _Record_Struct) * MAX_SIZE)=3*2+3（这里一定要注意宏定义并没有写成（A+B）的形式，所以并不是先计算A+B）=9.

故pointer分配的空间为9个字节

 
int main()
{
  unsigned char puc[4];
  struct tagPIM
  {
    unsigned char ucPim1;
    unsigned char ucData0 : 1;
    unsigned char ucData1 : 2;
    unsigned char ucData2 : 3;
  }*pstPimData;
  pstPimData = (struct tagPIM*)puc;
  memset(puc,0,4);
  pstPimData->ucPim1 = 2; 
  pstPimData->ucData0 = 3;
  pstPimData->ucData1 = 4;
  pstPimData->ucData2 = 5;
  printf("%02x %02x %02x %02x\n",puc[0], puc[1], puc[2], puc[3]);
  return 0;
}

代码结果是？

画个图：

最后，想要补充一个非常易错的练习题：

 
#include<stdio.h>
struct ord
{
    int x,y
}dt[2] = {1,2,3,4};
int main()
{
    struct ord* p = dt;
    printf("%d,", ++p->x);
    printf("%d\n", ++p->y);
    return 0;
}

这个程序的运行结果是什么？

是不是有点意想不到？

让我们来简单分析一下：

结构体其实也是可以这样赋值的，和数组是很类似的。

printf("%d,", ++p->x);

printf("%d\n", ++p->y);

这两条语句中，->这个操作符的优先级是高于++的，所以其实是先取出p指向的x和y这两个数值，然后再对这两个数++。

所以实际上，p这个指针自始至终都指向dt[1]。