【自定义类型：结构体】

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前言

1. 结构体类型的声明

1.1 结构体的概念

1.2 结构的声明

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1.3 特殊的声明

1.4 结构的自引用

2. 结构体变量的创建和初始化

3. 结构成员访问操作符

4. 结构体内存对齐

4.1 对齐规则

4.2 为什么存在内存对齐?

4.3 修改默认对齐数

5. 结构体传参

6. 结构体实现位段

6.1 什么是位段

6.2 位段的内存分配

6.3 位段的跨平台问题

6.4 位段的应用

6.5 位段使用的注意事项

总结

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前言

世上有两种耀眼的光芒，一种是正在升起的太阳，一种是正在努力学习编程的你!一个爱学编程的人。各位看官，我衷心的希望这篇博客能对你们有所帮助，同时也希望各位看官能对我的文章给与点评，希望我们能够携手共同促进进步，在编程的道路上越走越远！

像回顾上一篇博客的请点击这里数据在内存中的存储

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

1. 结构体类型的声明

1.1 结构体的概念

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

1.3 特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。（匿名结构体类型）

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。

匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次。

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？

比如，定义一个链表的节点：

struct Node
{

 int data;
 struct Node next;
};

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？

仔细分析，其实是不行的，因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，这样结构体变量的大小就会无穷的大，是不合理的。

正确的自引用方式：

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

在结构体自引用使用的过程中，夹杂了typedef对匿名结构体类型重命名，也容易引入问题，看看下面的代码，可行吗？

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

答案是不行的，因为Node是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的，但是在匿名结构体内部提前使用Node类型来创建成员变量，这是不行的。

解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体了

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

2. 结构体变量的创建和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单，结构体变量的初始化使用{}.

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

指示器初始化方式(C99)，这种方式允许不是按照成员顺序初始化。

struct Stu
{
 char name[15];
 int age; 
};
struct Stu s = {.age=20, .name="zhangsan"};//初始化

3. 结构成员访问操作符

结构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

举例：

#include 
#include 
struct Stu
{
 char name[15];//名字
 int age; //年龄
};
void print_stu(struct Stu s)
{
 printf("%s %d\n", s.name, s.age);
}
void set_stu(struct Stu* ps)
{
 strcpy(ps->name, "李四");
 ps->age = 28;
}
int main()
{
 struct Stu s = { "张三", 20 };
 print_stu(s);
 set_stu(&s);
 print_stu(s);
 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

4.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

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 该成员变量大小的较小值。

- VS中默认的值为8

- Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3. 结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

如何确定我们的理解是正确的呢？
offsetof(结构体类型，成员名); - 宏 - 用来计算结构体成员，相较于起始位置的偏移量
需要包含头文件#include

4.2 为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是这样说的：

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。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。如果我们能保证将所有的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来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，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。

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

//例如：
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写区别。

4.3 修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

5. 结构体传参

上面的 printf1 和 printf2 函数哪个好些？

答案是：首选printf2函数。

原因：

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。

结论：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

6. 结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。

6.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。

2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

代码演示：

6.2 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 等类型

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。

我们调试看一下是不是按照上面的方式存储的？

6.3 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. 位段中最大位的数目不能确定。（比如：int类型在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。

3. 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。

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。

总结：

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

6.4 位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样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。

6.5 位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是这个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址，一个字节内部的bit位是没有地址的。

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，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

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总结

好了，本篇博客到这里就结束了，如果有更好的观点，请及时留言，我会认真观看并学习。
不积硅步，无以至千里；不积小流，无以成江海。