C语言 结构体 · 位段

一、结构体

1. 结构体类型的声明

结构的基础知识

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。

结构的声明

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

struct 表明这是个结构体
tag 是结构体标签（自定义的）
member-list 是结构体成员
variable-list 是结构体名（全局变量）

例如描述一个学生：

struct Stu{
	char name[20]; //姓名
	int age; //年龄
	char sex[5]; //性别
	char id[20]; //学号
}; //分号不能丢

特殊声明

在声明结构体的时候，可以不完全声明。

//匿名结构体类型
struct {
	int a;
	char b;
	float c;
};

struct {
	int a;
	char b;
	float c;
}a[2], * p;

匿名结构体类型，只能使用一次，省略了结构体标签（tag）。

还可能引发问题，编译器会误判。

struct {
	int a;
	char b;
	float c;
}a[2], * p;

int main(){
	p = &s; //err
	return 0;
}

2. 结构的自引用

在结构体中，能否包含一个类型为该结构本身的成员？

答案：可以

//正确的结构自引用
struct Node {
	int data;
	struct Node* next;
};

//typedef - 类型重定义，重新定义一个新类型名称
//一般应用于数据结构中
typedef struct Node{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

3. 结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那么任何定义变量，其实很简单。

举例一

struct Point {
	int x;
	int y;
}p1;	//声明结构体类型的时候，定义变量p1
int main() {
	struct Point p2; //定义结构体变量p2
	struct Point p3 = { 1,2 }; //定义变量的同时给变量赋值
	return 0;
}

举例二

struct Stu {
	char name[20]; //姓名
	int age; //年龄
};
int main() {
	struct Stu s = { "zs",22 }; //初始化
	return 0;
}

举例三

struct Point {
	int x;
	int y;
}p1;	//声明结构体同时定义变量p1
struct Node {
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = { 10,{1,2},NULL };	//结构体嵌套初始化

int main() {
	struct Node n2 = { 20,{3,4},NULL };	//结构体嵌套初始化
	return 0;
}

举例四

struct S {
	char c;
	int i;
}s1, s2;

struct B {
	double d;
	struct S s;
	char c;
};

int main() {
	struct B sb = { 3.14,{'w',1000},'ccc' };
	printf("%lf %c %d %c", sb.d, sb.s.c, sb.s.i, sb.c);
	return 0;
}

4. 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用。

现在我们深入讨论一下：如何计算结构体的大小？
这就涉及到特别热门的知识点：结构体内存对齐。

试问，这四种结构体计算内存大小，将输出多少？

struct S1 {
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2 {
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
struct S3 {
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S4 {
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main() {
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

	return 0;
}

结果：

为什么结构体成员一样，仅仅是前后顺序不同就导致内存空间差异？

这我们得先了解结构体的对齐规则：

1. 结构体第一个成员要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（每个成员变量都有个对齐数）的整数倍。
4. 如果嵌套了结构体，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。

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编译器默认为 8.
Linux中的默认值为 4.

个人理解

结构体的这个成员变量，在内存地址中从几开始？放几个字节？
从几开始，成员变量大小和编译器对齐数对比，取小值的倍数，内存就从几开始。
例如：
struct S1{
	char c1;
	int i;
}
char c1；c1是1，vs编译器的对齐数是8，取小值1；1的倍数还是1，所以char c1变量在内存中的存储位置从1开始。
int i；i是4，vs编译器对齐数是8，取小值4；4的倍数是4、8，前面有char c1存储的1，i存储下去，整个内存变成5，不对齐了，所以要浪费3位字节；int i此时要在第5字节位开始存储4个字节。
最后总结构体的内存为 1+3+4=8。

为什么存在内存对齐？

大部分参考资料都是这么说的：

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；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。

总的来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

所以在设计结构体的时候，我们要满足对齐，又要节省空间，如何做到？
答案：让占用空间小的成员集中在一起。

struct S1 {		//12
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2 {		//8
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

S1和S2类型的成员一样，但是S1占用的空间比S2大。

修改默认对齐数 pragme

之前我们见过 #pragme这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

//改变前
struct S1 {	//12
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

//改变后
#pragma pack(2) //设置默认对齐数为2
struct S1 {	//8
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack() //取消设置默认对齐数

#pragma pack(8) //设置默认对齐数为8
struct S1 {	//1 +3（要对齐）+4 +1 +3（要对齐） = 12
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack() //取消设置默认对齐数

#pragma pack(1) //设置默认对齐数为1
struct S2 {	//1 +1 +4 =6
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
#pragma pack() //取消设置默认对齐数

int main() {
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));	//12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));	//6
	return 0;
}

结果在对齐方式不适合的时候，我们可以自己改变默认对齐数。

计算结构体成员的偏移量 offsetof

我们可以通过这个函数来计算，结构体成员在内存中相对于首地址的偏移量。

#include
#include
struct s2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct s2, c1));	//0
	printf("%d\n", offsetof(struct s2, i));		//4
	printf("%d\n", offsetof(struct s2, c2));	//8
	return 0;
}

5. 结构体传参

上代码：

struct S {
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4},1000 };
//结构体传参
void print1(struct S s) {
	printf("%d\n", s.num);
}
//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);	//传结构体地址
	return 0;
}

结构体传参有两种方式：

1. 传递结构体对象（传值），对应就是print1函数的方式。
2. 传递结构体地址（传址），对应就是print2函数的方式。

思考：print1和print2函数哪个好些？

答案：print2函数传递地址好些。
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过大，导致压栈系统开销变大，最终造成性能下降。

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二、位段

位段的声明

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、signed int。
2. 位段的成员名后边有个冒号和一个数字。

例如：

struct A{
	int _a:2;
	int _b:5;
	int _c:10;
	int _d:30;
};

A就是一个位段类型。
那位段A的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof( struct A ));	//8

8 是怎么得来的？
答：

1. 首先位段的类是是int，int类型大小是4个字节。
2. 开辟4个字节空间，其中_a:2，表示_a占用2个bit位，那么_b占用5个bit位，_c占用10个bit位；这时候已经使用17个bit位，4字节=32个bit，还剩下15个bit位不够_d的30个bit存储。
3. 所以要再开辟4个字节，给_d占用30个bit。
4. 最终位段A大小为4+4=8个字节。

位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int 或者 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. 位段涉及到很多不确定因素，位段是不能跨平台的，注意可移植的程序要避免使用位段。
4. 不确定因素体现在：①空间是否被浪费；②空间是从左向右还是从右向左使用。

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不确定。
2. 位段中最大位的数目不确定（16位机器最大16，32位机器最大32），写成27bit位在16位机器会出现问题。
3. 位段中的成员在内存中从右向左分配，还是从左向右分配标准未定义。
4. 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时；是舍弃剩余的位还是利用，这不确定。

总结：
和结构体相比，位段可以达到同样的效果。相比之下的优点是：可以很好的节省空间；缺点是位段有跨平台的问题存在。

位段的应用场景

网络传输协议包：
例如在微信上发送消息，数据需要承载其他验证消息才能发送，这时候就适合使用位段来操作。使用结构体会很复杂并且浪费空间。