C语言自定义类型详解（1）结构体知识汇总

本篇概要

本篇主要讲述C语言结构体的相关知识，包括结构体的基本声明，结构体的匿名结构，结构体的自引用，结构体变量的定义和初始化以及结构体的内存对齐等相关知识。

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1.结构体

1.1结构体的基本声明

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。

结构体的基本用法如下：

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

当然，我在这里还有一些补充

struct student
{
}s1,s2,s3;//这s1，s2，s3是三个结构体变量

int main()
{
struct student s4,s5,s6;//s4，s5，s6是三个结构体变量
return 0;
}

需要说明的是s1,s2,s3是全局变量，s4,s5,s6是局部变量。

1.2结构体的特殊声明(匿名结构体类型)

struct 
{
	char neme[20];
	int age;
	char sex[5];//一个汉字2个字符
	float score;
}s1,s2;

↑如上代码所示，可以去掉结构体的名字 匿名结构体类型，但只能用一次，后面再想定义变量不可以(只可以使用s1和s2)

struct 
{
	char neme[20];
	int age;
	char sex[5];//一个汉字2个字符
	float score;
}b;

struct 
{
	char neme[20];
	int age;
	char sex[5];//一个汉字2个字符
	float score;
}*p;

int main()
{
p=&b;
return 0;
}

↑这里，两个结构体类型完全一样，但是p=&b这样是有问题的，虽然结构体类型，成员完全一样，但在编译器看来，这依然是两种结构体类型，编译器认为p和&b是不一样的。

1.3结构体的自引用

即在结构中包含一个类型为该结构本身的成员

自引用错误用法：

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

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

提示：这么使用编译器会报警，运行不成功。因为struct中有一个整形为4字节，后面有一个结构体，那么是4+n，那么n中又是4+n，算不了。

自引用的正确用法：

struct Node
{
int data;
struct Node* n;
};
int main()
{
printf("%d",sizeof(struct Node));
return 0;
}

此时，代码可以运行，用指针的话，指针存放下一个节点的地址，指针本身的大小也是固定的，所以可以计算出来。

1.4结构体变量的定义和初始化

下面列举几种结构体的定义：

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1 = {1,2};

struct Point p3 = {4,5};

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	struct Point p2 = {a, b};
	return 0;
}

结构体可以这么定义

struct Stu
{
	char name[15];//名字
	int age;
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };
struct Stu s2 = { .age=18, .name="如花"};

int main()
{
printf("%s %d\n", s.name, s.age);
printf("%s %d\n", s2.name, s2.age);
}

也可以这么定义

struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
};
int main()
{
struct Node n = { 100, {20, 21}, NULL };
printf("%d x=%d y=%d\n", n.data, n.p.x, n.p.y);
}

更加复杂，也还可以这么定义，嵌套结构体。

1.5结构体内存对齐

我们先来看以下的代码：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

提示：我们可以看到两个一摸一样的结构体，计算出来的大小，却不一样，这是什么导致的呢？

就是结构体的内存对齐导致的。

下来给大家介绍一个宏 offsetof，其头文件为
它可以计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

我们在上面代码的main函数加上以下代码：

	int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	//printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	//printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

我们可以看到offsetof计算出来的结果为0，4，8，上面的示意图对应的就是struct内存的结构，灰色为char c1，蓝色为int i，橙色为char c2，红色的取余浪费了。

使用同样的操作，我们可以得出struct的结构示意图。

c1，c2，i都已在图中标注出来，红色为浪费部分。

提示：但是为什么要这个样子呢？为什么要内存对齐？

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的地址处存储。
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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍

例如struct s2
char c1偏移量为0 ，直接占第一个字节
char c2 偏移量为min{1,8}
int i 偏移量为min{4,8}
此结构体最大对齐数位4，根据规则三结构体总大小取4的整数倍，即8.

再例如struct s1
char c1偏移量位0，直接占第一个字节
int i偏移量位min{4,8},从第四个字节开始占4个字节
char c2，偏移量为1的倍数，直接放在i后面
这是一共占了9个字节，最大对齐数为4，结构体大小应为4的倍数，故为12.

接下来就来说一说为什么要对齐！

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。

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

对于第二点如下：

提示：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 s2就比struct s1所占空间小！！

上面讲到VS的默认对齐数为8，我们也可以更改它
pragma pack(5) //设置默认对齐数为5
pragma pack() //取消设置的默认对齐数，还原为默认

1.6结构体传参

代码使用了结构体传值调用和传址调用两种方法：

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};

void print1(struct S t)
{
	printf("%d %d %d %d\n", t.data[0], t.data[1], t.data[2], t.num);
}

void print2(const struct S * ps)
{
	printf("%d %d %d %d\n", ps->data[0], ps->data[1], ps->data[2], ps->num);
}

int main() 
{
	struct S s = { {1,2,3}, 100 };
	print1(s);//传值调用
	print2(&s);//传址调用

	return 0;
}

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。所以我们优先使用传址调用。