【详识C语言】自定义类型之一：结构体

本文重点

结构体

结构体类型的声明

结构的自引用

结构体变量的定义和初始化

结构体内存对齐

结构体传参

结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

结构体

结构体的声明

结构的基础知识

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。

结构的声明

struct tag {
 
member-list;
 
}variable-list;

例如描述一个学生：

struct Stu {
 
char name[20];//名字
 
int age;//年龄
 
char sex[5];//性别
 
char id[20];//学号
 
}; //分号不能丢

特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

//匿名结构体类型
 
struct {
 
int a;
 
char b;
 
float c;
 
}x;
 
struct {
 
int a;
 
char b;
 
float c;
 
}a[20], *p;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
 
p = &x;

警告：

编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。

所以是非法的。

结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

//代码1
 
struct Node {
 
int data;
 
struct Node next;
 
};
 
//可行否？
 
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

正确的自引用方式：

//代码2
 
struct Node {
 
int data;
 
struct Node* next;
 
};

注意：

//代码3
 
typedef struct {
 
int data;
 
Node* next; }Node; 
 
//这样写代码，可行否？
 
//解决方案：
 
typedef struct Node {
 
int data;
 
struct Node* next;
 
}Node;

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单。

struct Point {
 
int x;
 
int y;
 
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
 
struct Point p2;  //定义结构体变量p2
 
//初始化：定义变量的同时赋初值。
 
struct Point p3 = {x, y};
 
struct Stu //类型声明
 
{
 
char name[15];//名字
 
int age; //年龄
 
};
 
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化
 
struct Node {
 
int data;
 
struct Point p;
 
struct Node* next;
 
}n1 = {10, {4,5}, NULL};  //结构体嵌套初始化
 
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};  //结构体嵌套初始化

结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。

现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。

这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

//练习1
 
struct S1
 
char c1;
 
int i;
 
char c2;
 
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
 
//练习2
 
struct S2 {
 
char c1;
 
char c2;
 
int i;
 
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
 
//练习3
 
struct S3 {
 
double d;
 
char c;
 
int i;
 
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
 
//练习4-结构体嵌套问题
 
struct S4 {
 
char c1;
 
struct S3 s3;
 
double d;
 
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

考点

如何计算？

首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。

VS中默认的值为8

3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己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。

为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是如是说的：

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。

 2. 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。

总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

//例如：
 
struct S1 {
 
char c1;
 
int i;
 
char c2; };
 
struct S2 {
 
char c1;
 
char c2;
 
int i; };

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。

修改默认对齐数

之前我们见过了#pragma这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

#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
 
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() {
 
//输出的结果是什么？
 
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
 
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
 
}

结论：

结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。

百度笔试题：

写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明

考察： offsetof 宏的实现 

结构体传参

直接上代码：

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); //传地址
 
return 0;
 
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？

答案是：首选print2函数。

原因：

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。

结论：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1.位段的成员必须是int、unsigned int 或signed int

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：

struct A {
 
int _a:2;
 
int _b:5;
 
int _c:10;
 
int _d:30;
 
};

A就是一个位段类型。

那位段A的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char（属于整形家族）类型 

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

3. 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。

//一个例子
 
struct S {
 
char a:3;
 
char b:4;
 
char c:5;
 
char d:4;
 
};
 
struct S s = {0};
 
s.a = 10;
 
s.b = 12;
 
s.c = 3; s.d = 4;
 
//空间是如何开辟的？

 

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。

总结：

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

位段的应用