C语言－自定义类型－结构体（详解结构体内存对齐）

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前言

本文会详解C语言中自定义类型中结构体的使用、声明、自引用、结构体变量的定义和初始化、*结构体内存对齐、结构体传参等详细说明

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一、结构的声明

结构体的基础知识

结构是一些值的集合，这些值成为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量

1.结构体的声明

上图所示，MyStruct是属于结构体标签，根据个人实际需求来自行更改；大括号里面的称为成员列表（成员变量），里面可以有一个也可以有多个，每个成员可以为不同类型的变量；
有了结构体类型，接着就要创建结构体变量了，如下

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二、特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全声明。如：

则此时创建变量就不能像上面所示的写法创建了

那么应该怎么创建变量呢？如图

该写法称为匿名结构体类型。意思就是标签名字省略不写，但是你想用这个类型创建变量，只能把变量写在全局变量的位置，否则不能创建变量，这个匿名结构体类型只能使用一次。
那如果在两个成员一模一样的情况下，写一个匿名结构体类型，再写一个匿名结构体的指针，那么这两个结构体在编译器看来是不是一样的？

我们在main函数中测试一下，将s1的地址赋值给p变量，看看能否正常赋值


可以发现编译器给出了警告，从“ * ”到“ * ”类型不兼容，也就是说编译器认为两边的类型不相同的，所以在匿名结构体类型里面虽然成员是一样的，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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三、结构自引用

在结构中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢？

如果像这样去设计，那么sizeof(struct Node)有多大，int类型是4个字节，那么n是多大呢？那么这个结点里还有一个data，还有一个n，就会一直循环下去，所以没办法确定，所以该写法是错误的。
当一个结点要找一个同类型的下一个结点的时候，叫做自引用。
如上图链表所示，一个结点既要保存1这个数，又要有能力找到下一个结点，所以我们可以认为这一个结点就相当于一个复杂对象，我们把它设计成一个结构体。
每一个结点都会存上下一个结点的地址，所以每个结点我们可以分为两个部分，一部分存数据，一部分存地址

解决方案 1：

使用指针。由于指针的长度是确定的（在32位及其上指针长度为4）所以编译器能够确定该结构体的长度

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

struct Node* next在结构体内找到同类型的下一个结点的地址，就是结构体的自引用。使用该结构体，结构体的类型就是struct Node。

解决方案 2：

使用typedef

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

该方案的目的是使用typedef为结构体创建一个别名。

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四、结构体变量的定义和初始化

变量的创建：

变量的初始化：
创建的同时进行初始化

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五、*结构体内存对齐

我们先来测试一下，将两个结构体内部顺序变换一下，问这两个结构体的大小是多少？是相等吗？还是？

程序运行得出结果：

为什么这个结果变成12和8呢？这就涉及到结构体的内存对齐了，意思就是，结构体在内存中要进行一定的对齐，放到对齐的位置上才可以。
在了解内存对齐之前，我们首先来了解一下offsetof宏，用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

则由结构体成员的偏移量可以得出，S1在内存中是如何存放的，如下图

接着S2也是同理，只是位置顺序相对于S1变换了，所以内存空间如下图


可以看出，使用offsetof测试出来变量a、b、i，的起始位置的偏移量与上述S1，S2的内存空间图中，a、b、i的起始位置是一样的，一个是0,4,8，一个是0,1,4。
所以结构体内存到底是如何对齐的？

结构体内存对齐的规则：

1. 结构体的第一个成员直接对齐到相对于结构体变量起始位置为0的偏移处。
2. 从第二个成员开始，要对齐到某个【*对齐数】的整数倍的偏移处。（*对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值。VS编译器环境：8；Linux编译环境默认不设对齐数，对齐数就是结构体成员自身大小）
3. 结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍。
   每个结构体成员都有一个对齐数，其中最大的对齐数就是最大对齐数。
4. 如果仙桃了结构体的情况，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。

满足了以上结构体内存对齐的规则，我们可以分析出，上述内存图为何这么设计。如S1为例子：


接着来探讨S2，s2中变量a本身为1个字节，从起始位置0开始，变量b自身大小为1默认对齐数为8，所以对齐数为1，b就要放在1的倍数空间上，所以直接放在空间为1的位置处，接着找i，i的自身大小为4默认对齐数为8，所以对齐数为4，所以要放在4的倍数的空间上，所以2的偏移和3的偏移用不上，所以从4开始；最后所有对齐数最大的是4，所以结构体大小就是4的倍数，而8刚好是4的倍数，后面没有浪费空间，得出最后结构体大小为8

结构体内存对齐规则的第四条规则举实例说明：

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char a;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

由图所示，所有对齐数的里面最大的是8，32是8的倍数，不需要往后浪费空间，所以s4的大小为32。
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；某些硬件平台智能在某些地址处取得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。
   总的来说：
   结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那么在设计结构体时，既要满足内存对齐，又要节省空间，如何做到呢？
由struct S2为例，让占用空间小的成员尽量集中在一起即可满足！

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六、修改默认对齐数

使用#pragma这个预处理指令，来改变默认对齐数

// 设置默认对齐数
#pragma pack(1)

struct S1
{
	char a;
	int i;
	char a2;
};

// 恢复默认对齐数
#pragma pack()

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	return 0;
}

运行结果如下：


可以看出，将默认对齐数手动设置成1，则在内存中可以看出变量不需要对齐了，直接往后依次开辟空间。

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总结

以上就是对C语言自定义类型-结构体的详解了，希望该文章对大家的学习有所帮助！
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