详解C语言自定义类型——结构体struct_struct结构体定义和声明

结构体

与数组不同，结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量，而数组是一种类型元素的集合，结构体是多种类型元素的集合。

一、结构体类型的声明

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

struct：结构体的关键字
tag：结构体的标签名
member-list： 成员变量
variable-list： 变量列表

举例：定义一个学生类型

struct Stu//该结构体类型为 struct Stu类型
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
    float weight;//体重
}s3,s4,s5;//定义了s3,s4,s5三个结构体变量（全局变量）
int main()
{
    struct Stu s1;
    struct Stu s2;//定义了s1,s2两个结构体变量（局部变量）
}
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1.匿名结构体类型

在声明结构的时候，可以不完全的声明，即：匿名结构体类型。

struct 
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
}m，n;
//匿名结构体类型，声明了两个结构体变量：m,n
//该结构体不能再定义结构体变量，用完就没有了
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2.结构的自引用

错误示范

struct men
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	struct men s;//错误的，因为该自引用会无限循环（占用内存无法确定）
};
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正确示范

struct men
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	struct men* s;//正确的，因为指针的大小是固定的（4或8个字节）
};
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struct Stu
{
	int age;
	char name[20];
	struct Stu* p;
};
int main()
{
	struct Stu s1;
	struct Stu s2;
	s1.p = &s1;

	return 0;
}
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3.结构体的重命名

typedef struct men 
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
}m;
//将结构体重命名为m
int main()
{
	m x = { "zzz",18,"sss" };
}
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typedef struct 
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
}m;
//将匿名结构体重命名为m
int main()
{
	m x = { "zzz",18,"sss" };
}
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typedef struct
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	m* p;//错误的（系统自上而下运行，不能识别m是什么意思
}m; 
int main()
{
	m x = { "zzz",18,"sss" };
}
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二、结构体变量的定义和初始化

struct Stu1
{
	int age;
	char name[20];
	float weight;
}s3= { 12,"ass",2.3 };//s3初始化
struct Stu2
{
	int age;
	char name[20];
    int*p;
	struct Stu1 s;
};

int main()
{
	struct Stu1 s1 = { 18,"www",142.5 };//s1初始化
	struct Stu2 s2 = { 18,"www",NULL,{20,"aaa",134.5} };//s2初始化
	printf("%d %s %lf\n", s1.age, s1.name, s1.weight);//打印s1中各项的值
	return 0;
}
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三、结构体内存对齐

引子：计算下列结构体的大小

struct S1
{
	int a;
	char b;
	float c;
};
struct S2
{
	int a;
	char ch[4];
	float c;
};
struct S3
{
	int a;
	char b;
	float c;
	double d;
};

int main()
{                                 //结果是：
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));// 12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));// 12
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));// 24
    //结果并不是单纯的字节相加，因为涉及了结构体的内存对齐
	return 0;
}
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1.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.

2.求结构体的偏移量函数offsetof

引头文件#include<stddef.h>
size_t offsetof( structName, _memberName _);返回结构体的偏移量
偏移 = 成员地址 - 结构体地址
若结构体地址为0，则偏移 = 成员地址

(1)例一（一般结构体对齐）

(2)例二（一般结构体对齐）

(3)例三（结构体中嵌套结构体）

3.为什么内存对齐

可以看到结构体内存对齐会浪费空间，那么为什么存在内存对齐?

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，否则会出显硬件异常。
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。
   因为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。 **

4.合理编写结构体以节省空间

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。 如：

struct s1
{
	char a;
	int b;
	char c;//一共占12个字节空间
};

struct s2
{
	char a;
	char c;
	int b;//一共占8个字节空间
}; 
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四、修改默认对齐数

像VS中默认对齐数是8，可能在某些情况下不适用，可以使用#pragma这个预处理指令，改变默认对齐数。
#pragma pack(num)修改默认对齐数为num
#pragma pack( )取消修改

#include<stddef.h>

#pragma pack(1)//修改默认对齐数为1
struct S
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
#pragma pack()//取消修改
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 'm';
	s.c = 3.14;
	printf("%d\n", sizeof(struct S));// 未修改为：12
	                                 // 修改后为：6
	return 0;
}
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五、结构体传参

struct S
{
 int data[1000];
 int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};


void print1(struct S s)
{
 printf("%d\n", s.num);//结构体传参
}

void print2(struct S* ps)
{
 printf("%d\n", ps->num);//结构体地址传参
}
int main()
{
 print1(s);  //传结构体
 print2(&s); //传地址
 return 0;
}
 
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尽可能使用传址：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。

六、位段

1.位段的声明和结构是类似

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。

struct A
{         //二进制
 int a:2;//  2个bit
 int b:5;//  5个bit
 int c:10;// 10个bit
 int d:30;// 30个bit
};
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2.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。

下图左侧可看出其地址排布与上图排布一致

3.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。

因此：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