《C语言进阶》 第四部分 自定义类型：结构体
大家好！从这篇文章开始我们详细说一下自定义类型。自定义类型有数组，结构体，枚举，联合。前面我们已经说过数组了，这里就说后面三种，首先，我们详解一下第一种：结构体。
文章目录
- 结构体
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- 1 结构体的声明
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- 1.1 结构的基础知识
- 1.2 结构的声明
- 1.3 特殊的声明
- 1.4 结构的自引用
- 1.5 结构体变量的定义和初始化
- 1.6 结构体内存对齐
- 1.7 修改默认对齐数
- 1.8 结构体传参
- 2. 位段
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- 2.1 什么是位段
- 2.2 位段的内存分配
- 2.3 位段的跨平台问题
- 2.4 位段的应用
结构体
1 结构体的声明
1.1 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。
1.2 结构的声明
例如描述一个学生：
这部分内容，我在前面的基础部分说过了，这里就不细说了。
1.3 特殊的声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。
比如：
这样的叫做匿名结构体类型。
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
那么问题来了？
警告：
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。
1.4 结构的自引用
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
这样的自引用是否可行？
其实是不行的，因为我们不知道sizeof(struct Node)是多少。
正确的自引用方式：
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};
然后，我们再看一个问题：
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
这样写代码，可行吗？
不行，因为在结构体里我们已经使用了Node，但是Node是后面定义的。所以就乱了。
正确的写法是：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
这里的Node和struct Node是一样的。
1.5 结构体变量的定义和初始化
这部分内容我在基础部分说过了，不懂的可以去看看。
1.6 结构体内存对齐
我们已经掌握了结构体的基本使用了。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐。
我们来看一下这个代码：
struct S1
{
char c1;//1
int i;//4
char c2;//1
};
这个结构体的大小是多少呢？
估计很多人的第一反应是6个字节，其实不是。
结果是12个字节。为什么呢？首先，我们说一个函数offsetof
这个函数是返回数据结构或联合类型类型中成员成员的偏移值（以字节为单位）。
然后我们来看一下这三个成员的偏移量。
想要知道为什么，首先得掌握结构体的对齐规则：
我们先假设用struct S1类型创建一个变量s。
s下面的0，1，2，3…就是偏移量。
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。
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)。
我们知道i是4个字节，比8小，所以对齐数是4。i就会放到4的整数倍处。
然后c2是1个字节，比8小，对齐数是1。c2放到1的倍数处。
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。
这这句话我们就知道最大对齐数是4，而结构体总大小是它整数倍。前面我们已经使用了9个字节的空间，所以我们应该浪费3个字节的空间，为12才是4的倍数。
然后我们讨论一下结构体嵌套问题。
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。
举一个例子：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c;
struct S1 s2;
double d;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
return 0;
}
首先，我们知道了struct S1是12个字节，它里面的最大对齐数是4。所以它应该对齐到4的倍数处。
struct S2结构的最大对齐数是8，然后我们已经使用了24个字节，是8的倍数。所以struct S2大小为24个字节。
为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是如是说的：
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
解释一下：
struct S
{
char c;
int i;
};
如果没有对齐：
假如32位机器上，我们cpu一次拿4个字节，我们要访问i要两次才能全面把i拿出来。
如果对齐了：
i我们只需要访问一次就全拿出来了。
总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
那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。
看下面的代码：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。
如果你在VS上测试过后，你会发现S1占12个字节，S2占了8个字节。
1.7 修改默认对齐数
#pragma 这个预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。
在这里struct S1的对齐数被改为1了。
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。
1.8 结构体传参
这部分内容我在前面基础篇说过了，这里就不多说。
2. 位段
2.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1.位段的成员可以是 int，unsigned int，signed int 或者是 char （属于整形家族）类型。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：
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？
首先，要懂得A的大小是多少，我们要知道位段的位是什么？
这里的位是二进制位。
：2的意思是_a只占2个bit位，：b只占5个bit位…
2.2 位段的内存分配
1.位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 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.位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。
看下面的代码：
struct S {
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};
char类型是按1个字节来开辟空间的。所以我们首先来开辟1个字节(8bit)，a占3个bit，还剩5bit，b占4个bit，还剩1个bit。c占5个bit，不够，该怎么办？
我们有两种情况：1.剩下的1个bit浪费，再开辟一个字节(8bit)。2.剩下的1个bit用上，再开辟一个字节(8bit)。
第一种，开辟了8个bit，c占5个，还剩3个。d占4个，不够，再开辟一个字节。
第二种，用了上面剩下的1个bit，c还剩4个，开辟1个字节，还剩4bit，正好够d使用。
如果是第一种情况，我们需要3个字节。第二种情况，我们只需要2个字节。
结果是什么，我们来看一下：
是3个字节，是第一种那个剩下bit不用的情况。
其实在C语言里，我们没有规定是用剩下的位，还是不用剩下的位，这是根据编译器来决定的，所以位段是不跨平台的，但位段能为我们节省空间。
估计很多人不理解为什么一个int类型或char类型，只占2个bit，或5个bit。
这是我给大家举例子，实际上，我们要根据实际情况来定，假设我们只需要01，00，10，11，那么我们就可以用2个bit来表示，如果用32位，则会浪费空间。
我们看一下下面的代码：
struct S
{
char a : 3;
char b : 4;
char c : 5;
char d : 4;
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
return 0;
}
那么有一个问题：s空间是如何开辟的？
首先，我们知道struct S 是3个字节，然后我们给s里的成员赋值，是如何赋值的呢？
a:10---->01010，但只占3个bit，所以只取010
b:12---->01100，但只占4个bit，所以只取1100
c: 3---->00011，但只占5个bit，所以只取00011
d: 4---->00100，但只占4个bit，所以只取0100
然后，我们要将这些放到s里面，怎么放？首先，第一个问题，在每一个字节里，我们每一位是从左向右放，还是从右向左放，我们先假设从右向左放。
上面我们测试在VS编译器下，剩下的位不用。放的情况如下图所示：
我们将转换为为16进制是62 03 04。然后我们看一下编译器的结果：
结果和我们假设一样。
2.3 位段的跨平台问题
- int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
- 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大32，写成27，在16位机器会出问题。
- 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
- 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。
小结：
跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
2.4 位段的应用
位段的应用一般在网络上，后面在细讲。
总结：
到这里，我们就把与结构体相关的内容说完了，内存对齐和位段都挺重要的，希望能理解它们。下一篇文章，我会讲一下自定义类型中的枚举和联合体。如果大家认为我有哪些不足之处或者知识上的错误都可以告诉我，我会在之后的文章中不断改正，也请大家多多包涵。如果大家觉得这篇文章有用的话，也希望大家可以给我关注点赞，你们的支持就是对我最大的鼓励，我们下一篇文章再见。
