自定义类型：结构体

一：引入

C语言中有内置类型，如int ，char，float，long，long long等，这些内置类型可以直接使用。
如果我们想要描述一个学生，比如学生的名字，年龄，分数等，只有一个内置类型是无法描述清楚的，所以引入结构体的使用。

二：结构体类型的声明

1：正常声明

结构体是自定义类型
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。
例如描述一个同学：

struct Stu//
{
    char name[20];//名字

    int age;//年龄
   
    float score;//分数

};

{}里面的内容就是结构体的成员。

2：特殊声明

在声明结构体的时候可以不完全声明。

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}s = { 0 };//这种特殊的声明只能此时初始化
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*ps;
int main()
{
	ps = &s;//error，虽然结构类型的成员一模一样，但编译器依然认为=两边是不同的指针类型
	return 0;
}

三：结构体变量的创建和初始化

1:结构体变量的创建

#include 
struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	float score;
}s4, s5;//结构体变量的创建s4,s5
int main()
{
	struct stu s1, s2, s3; //结构体变量的创建s1,s2,s3
	return 0;
}

2：结构体变量的初始化

#include 
struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	float score;
}s2 = { "lisi",21,89.5f };//结构体变量的创建及初始化
int main()
{
	struct stu s1 = { "zhangsan",20,85.5f };//结构体变量的创建及初始化
	struct stu s2={.age=22,.name="wanger",.score=98.5f};
	//特殊初始化
	return 0;

}

struct Stu//struct是结构体类型的关键字
    //struct Stu是用户定义的结构体类型
{
    //name,age,score都是都是结构体成员名
    char name[20];//名字

    int age;//年龄
   
    int score;//分数

}s;//声明的同时定义结构体变量s
//结构体类型不占用空间，相当于盖房子时所使用的图纸
struct Stu s = { "zhangsan",20,84 };//结构体变量的初始化
//结构体变量占用空间，相当于盖好了的房子

三：结构体访问操作符

结构体成员访问操作符有两个，一个是 . 一个是->
形式如下：
结构体变量.成员变量名
结构体指针->成员变量名

#include 
struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	int score;
};
int main()
{
	struct stu s = { "zhangsan",20,90 };
	struct stu* p = &s;
	printf("%d %d\n", s.age,s.score);
	printf("%d %d\n", p->age, p->score);
	return 0;
}

四：结构体内存对齐

结构体的大小与结构体内存对齐有关。

1：对齐规则

1：结构体的第一个成员对齐到相对结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
2：其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处。
对齐数=编译器默认的对齐数（VS默认的是8）与该成员变量大小的较小值.
3：结构体总大小为最大对齐数（结构体中的每个成员都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
4：如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体成员的对齐数）的整数倍。
例1：

#include 
struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};

struct S2
{
	char c1;
	int a;
	char c2;
};


int main()
{
	struct S2 s2 = { 'a', 100, 'b'};
	printf("%zd\n", sizeof(s2));

	struct S1 s1 = { 'a', 'b', 100 };
	printf("%zd\n", sizeof(s1));
	return 0;
}

例2：结构体的嵌套

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

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};

int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(struct S3));//?
    printf("%zd\n", sizeof(struct S4));//?
    return 0;
}

2：为什么存在内存对齐？

1：平台原因：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，处理器需要两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。假设一个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证所有的double类型的数据的地址都对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作数 来读或者写值了。否则我们可能执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，可以让内存占用少的成员尽量放在一起。

#include 
struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};

struct S2
{
	char c1;
	int a;
	char c2;
};


int main()
{
	struct S2 s2 = { 'a', 100, 'b'};
	printf("%zd\n", sizeof(s2));//12

	struct S1 s1 = { 'a', 'b', 100 };
	printf("%zd\n", sizeof(s1));//8两个char类型的数据放在了一起
	return 0;
}

3：修改默认对齐数

#pragma这个预处理命令可以改变编译器的默认对齐数。
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为系统默认的对齐数

#include 
#pragma pack(1)//将默认对齐数设置为1
struct s
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

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

五：结构体传参

#include 
struct S
{
	int age;
	int num;
};
struct S s = { 20,100 };
void print1(struct S t)
{
	printf("%d\n", t.num);
}
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s);//传递的是结构体变量，也就是传值调用
	print2(&s);//传递的是结构体变量的地址，也就是传址调用
	return 0;
}

传递结构体变量的时候，形参是实参的一份临时拷贝，形参会单独占用空间，传数据
也需要时间，如果实参数据较大，那么浪费的空间和时间将非常大。
函数传参的时候，参数需要压栈，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，会导致性能的下降。

六：结构体实现位段

位段是基于结构体的，结构体可能浪费空间，而位段可以节省空间。位段的位指的是二进制位。

1：位段的声明：

#include 
struct A
{
	int a : 2;//a占2个bit位
	int b : 4;//b占4个bit位
	int c : 7;//c占7个bit位
};
int main()
{
	printf("%d ", sizeof(struct A));
	return 0;
}

2：位段的内存分配：

1：位段的成员可以是int ，unsigned int，signed int，char类型。
2：位段的空间上是按照需要4个字节（int）或一个字节（char）来开辟的。
3：位段涉及很多不确定的因素，位段是不可以跨平台的，如果想要跨平台需要使用不同的代码。（当开辟了内存后，内存中的每个bit从左向右使用还是从右向左使用，不确定；当前面的内存使用后，剩下的空间不能够放下一个成员时，剩下的空间是否使用，也不确定）。
下面主要讲述在VS编译器下位段的内存分配。
在VS编译器下，每个bit位从右向左使用，使用后剩余的空间不能够放下下一个元素时，该剩余空间将不再使用，需要再开辟一个字节的空间，放下一个元素。

#include 
struct S
{
	char a : 3;//开辟第一个字节,a占3个bit位，还剩5个比特位
	char b : 4;//剩下的5个bit位能够放下b,还剩下1个bit位
	char c : 5;//剩下的1个比特位 不能够放下c,再开辟一个新的字节放c,
	//放c后还剩下3个字节，剩下的3个字节放不下d
	char d : 4;//再开辟一个新的字节放d
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d ", sizeof(s));//3
	return 0;
}

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：位段中最大的数目不能确定（16位机器下最大是16,32位机器下是32，写成33，在16位和32位的机器下都会报错）

3:位段中的成员在内存中是从左向右分配还是从右向左分配不确定。
4：当一个结构包含2个位段，第二个位段的成员比较大，第一个位段剩下的空间无法容纳第二个位段时，是舍弃剩余的位还是使用，这是不确定的。
总之：位段可以节省空间，但有跨平台问题，想要解决跨平台问题，需要写不同的代码

4：位段的应用

在网络协议中，IP数据报的格式，其中很多的属性只需几个bit位就能够描述，在这里使用位段，可以节省很多空间，网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

5：位段的使用注意事项：

内存中一个字节有一个编号（地址），位段可能几个成员共用一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置是没有地址的。所以不能对位段的成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能先输入到一个变量里，然后赋值给位段的成员。

#include 
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 5;
	int c : 7;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	int c = 0;
	//scanf("%d", &s.c);
	scanf("%d", &c);
	s.c = c;
	printf("c=%d ", s.c);
	return 0;
}