自定义类型--结构体详解

本篇博客基于vs2013,32位操作系统

结构的基础知识

结构式一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型变量。

结构的声明

完全声明(正常情况下)：

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

tag 是结构体标签。

member-list 是标准的变量定义，比如 int i; 或者 float f，或者其他有效的变量定义。

variable-list 结构变量，定义在结构的末尾，最后一个分号之前，您可以指定一个或多个结构变量。

类如建立一个学生结构体:

	struct Student{
		char name[20];
		int age;
		char sex[5];
		char id[20];
	};

这个结构体的名称为student;

建立了姓名,年龄,性别,id变量;

不完全声明：

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

以下为实例：

//匿名结构体类型
struct {
		int a;
		char b;
		float c;
	}x;
	struct {
		int a;
		char b;
		float c;
	}a[20],*p;

比如：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？

在上面代码的基础上，下面代码合法吗？

p = &x;

上面的声明中，第一个和第二声明被编译器当作两个完全不同的类型，即使他们的成员列表是一样的，是非法的。

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单。

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = { x, y };
struct Stu        //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age;      //年龄
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };//初始化
struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = { 10, { 4, 5 }, NULL }; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = { 20, { 5, 6 }, NULL };//结构体嵌套初始化

结构体的自引用

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;
};
//可行否？

如果可以,呢么sizeof(struct Node)是多少?
我们运行求一下sizeof(struct Node):

不可行!

sizeof(struct Node)会一直递归下去.
正确的写法:

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

此时把struct Node* next变成指针,这样可以固定他们的sizeof()(指针固定为4字节),这样也可以求出来sizeof=4+4

结构体内存对齐

在掌握结构体的一些基本用法后，我们来看看如何计算结构体大小。
如何计算，首先我们要掌握结构体对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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软件中默认的值为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。

下面来看几个案例:

char one 的对齐数=min(1,4)=1;
int two 的对齐数=min(4,4)=4;
int three 的对齐数=min(4,4)=4;

char one 的对齐数=min(1,4)=1;
int two 的对齐数=min(4,4)=4;
char three 的对齐数=min(1,4)=1;

char one 的对齐数=min(1,4)=1;
char two 的对齐数=min(1,4)=1;
int three 的对齐数=min(4,4)=4;

typedef struct hello{
	char one;
	short two;
	double three;
	float four;
	double five;
	short six;
	char seven;
}hi;

修改默认对齐数

使用#pragma pack(），可以修改默认对齐数。

比如我们将默认对齐数改为1

#pragma pack(4)/*编译选项，表示4字节对齐 平台：VS2013。语言：C语言*/
int main(int argc, char* argv[])
{
  struct Test1
  {
    short a;//2
    char d; //1
    long b;   //4
    long c;   //4
  };
  struct Test2
  {
    long b;   
    short c;
    char d;
    long a;   
  };
  struct Test3
  {
    short c;
    long b;
    char d;   
    long a;   
  };
  struct Test1 s1;
  struct Test2 s2;
  struct Test3 s3;

  printf("%d %d %d", sizeof(s1), sizeof(s2), sizeof(s3));
  return 0;
}
#pragma pack()

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。

总体来说：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，要让占用空间小的成员尽量集中在一起 ，才能满足对齐且占用少的空间。

位段(结构体拓展)

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。

什么是位段

先总的一句通俗的话就是:可以按照比特位来定义.
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 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

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

A就是一个位段类型。

位段大小

那位段A的大小是多少？

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

a,b,c占一个字节,d占一个字节.

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

总结：
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.