C语言学习记录——结构体（声明、初始化、自引用、内存对齐、结构体设计、修改默认对齐数、结构体传参）_c语言的结构体自引用

简单介绍

结构体是一些值的集合，结构的每个成员可以是不同的类型。

例如描述书是比较复杂的，包括书名、作者、出版社、定价、书号等。

我们可以创建一个书的类型，用来描述书，存储书的各项数据。将这若干项数据集合起来就是一个结构体

声明与定义

声明后定义

注：在声明结构体类型时，最后的分号不能漏掉

声明时定义

特殊的声明

不完全声明

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对匿名结构体类型进行探讨：

struct//匿名结构体类型
{
    char c;
    int i;
    char ch;
    double d;
}n;
struct
{
    char c;
    int i;
    char ch;
    double d;
}*p;
int main()
{
    p = &n; //error
    return 0;
}

以上两个匿名结构体类型虽然里面的成员是完全相同的，但是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。

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注：匿名结构体只能使用一次，不能再用于创建结构体变量。

结构自引用

创建一个情景：我们创建一个存储图书馆各项数据的结构体类型，其中包括图书、内饰等等。而图书中又存储着有关图书的各项数据，这时就可以用到结构的自引用了。例如：

struct book //图书
{
    char type[10];
    char name[20];
    int price;
    char number[30];
};
struct upholstery //内饰
{
    char WallColor[10];
    char CeilingMolding[30];
    int LampSwitch;
};
struct library
{
    struct book b;
    struct upholstery u;
    double d;
};

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对结构自引用进行探讨

struct Node
{
    int n;
    struct Node n;
};

当我们用struct Node来创建变量时，会发现这个变量的大小是无法计算的，进入了一个死递归的状态。

因此，这种写法是非法的。

正确的写法

struct Node
{
    int n;
    struct Node * next;
};

不可以包含同类型的变量，可以包含同类型的指针变量。

与链表有关，在数据结构中会学到。链表的结点包罗两个部分：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。

另一种错误写法，将匿名结构体与自引用结合起来

struct
{
    int n;
    struct* next;
 
};

很显然，这种写法是非法的。那么此时想尝试用typedef修改一下，可不可行呢？

typedef struct
{
    int n;
    Node* next;
 
}Node;

来将这段代码捋一捋：将匿名结构体自定义为Node，那么先要让匿名结构体定义。而匿名结构体定义时要建立指针变量Node* next之后才算完成；但此时自定义还没有把struct定义为Node，故而以Node为类型的next变量不能成功建立。从而我们得知这段代码也是错误的，正确写法应该先自定义完成再定义结构体：

typedef struct Node
{
    int n;
    Node* next;
 
}Node;

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结构体的初始化

struct A
{
    int i;
    char c;
}a;
struct B
{
    int n;
    char e;
    struct A a;
}b;
int main()
{
    struct A a = { 32,'a' };//直接初始化
    printf("%d\n%c\n", a.i, a.c);
    b.n = 64;
    b.e = 'b';
    //利用操作符“.”初始化
    b.a.i = 128;
    b.a.c = 'c';
    //结构自引用（结构嵌套）的初始化
    printf("%d  %c  %d  %c", b.n, b.e, b.a.i,b.a.c);
    return 0;
}

利用操作符“->”进行初始化

struct book
{
    int price;
    char name[20];
}b1,*p;
int main()
{
    p = &b1;
    p->price = 64;
    printf("%d\n", p->price);
    return 0;
}

结构体内存对齐

深入讨论一个问题：计算结构体的大小

struct S1
{
    char c; //1字节
    int i;  //4字节
    char c2;//1字节
};
int main()
{
    struct S1 s1 = { 0 };
    printf("%d\n", sizeof(s1));
    return 0;
}

结果显示为12，这涉及到了结构体内存对齐的知识点。我们先了解结构体内存对齐的规则

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。
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。

要更好地理解这个对齐规则，我们要先简单了解一些概念。

偏移量

对齐数

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中默认的对齐数的值为8,；而Linux没有默认对齐数的概念。

这个时候我们拿起刚刚那道题，用对齐规则来解决。

练习

struct S2
{
    char c;
    int i;
    double d;
};
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
int main()
{
    struct S2 s2 = {0};
    struct S3 s3 = {0};
}

试着算算s2和s3的大小，答案在后文公布。

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嵌套结构体大小计算

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
int main()
{
    struct S4 s4 = { 0 };
    printf("s4 = %d\n", sizeof(s4));
    return 0;
}

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练习答案

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嵌套结构体计算大小：

存在内存对齐的原因

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，处理器需要作两次访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

对“访问未对齐的内存，处理器需要作两次访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。”做解释：

总的来说

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

结构体的设计

在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间。

即，让占用空间小的成员尽量集中在一起

例如：

struct S1
{
    char c1;
    int n;
    char c2;
}s1;
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int n;
}s2;
int main()
{
    printf("s1 = %u\n", sizeof(s1));
    printf("s2 = %u\n", sizeof(s2));
    return 0;
}

修改默认对齐数

使用#pragma这个预处理指令，可以改变默认对齐数。

具体为：

#include <stdio.h>
#pragma pack(2)  //修改默认对齐数为2
struct S1
{
    char c1;
    int n;
    char c2;
}s1;
#pragma pack()  //取消设置的默认对齐数，还原为8
struct S2
{
    char c1;
    int n;
    char c2;
}s2;
int main()
{
    printf("s1 = %u\n", sizeof(s1));//默认对齐数为2时的大小
    printf("s1 = %u\n", sizeof(s1));//默认对齐数为8时的大小
    return 0;
}

结论

结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

结构体传参

试着对比下面两种传参方式

#include <stdio.h>
struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4},1000 };
 
//使用结构体传参
void print1(struct S s)
{
    printf("%d\n", s.num);
}
 
//使用结构体地址传参
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;
}

我们应该首选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，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

而且，直接传结构体会有一些限制。例如，并不能改变结构体内部成员的值，而传地址既节省系统开销，提高性能，又不会有太多限制。

#include <stdio.h>
struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s1 = { {1,2,3,4},1000 };
struct S s2 = { {1,2,3,4},1000 };
 
//结构体传参 修改成员变量的值
void change1(struct S s1)
{
    s1.num = 2000;
}
 
//结构体地址传参 修改成员变量的值
void change2(struct S* ps)
{
    ps->num = 2000;
}
int main()
{
    change1(s1);  
    change2(&s2);
    printf("s1.num = %d\n", s1.num);
    printf("s2.num = %d\n", s2.num);
    return 0;
}

而当你使用结构体地址传参且不需要改变其成员变量的值时，可以加上const修饰。

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学习自：比特鹏哥C语言课程