c语言结构体与位段(超详细讲解)

一. 结构体的声明

1.结构体基础知识

  结构是一些值的集合，这些值成为成员变量。结构的每隔成员可以是不同类型的变量。
  结构体和数组有所差异：结构体中变量可以是不同类型，而数组类型必须一致。
  结构体是用来描述复杂对象的

2.结构声明：用struct结构体进行定义。

struct tag//结构体标签
{
member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表

举个例子：描述一个学生

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}; 

注意结尾的分号不能丢

3.特殊的声明

  在声明结构时，可以不完全声明，省略结构体标签。我们把它称为匿名结构体类型

比如：

struct//这里只有关键字
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;

匿名结构体类型，只可以在创建的时候创建结构体变量，不可以在main函数中创建。

4.结构体自引用

  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;
};

创建之后，那么结构体大小是多少呢?结构体嵌套自身结构体，无限套娃,大小无法计算。

那怎末办呢？观看下面代码

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

结构体中自引用了结构体的指针，这样可以吗？？
  结构体指针的大小是确定的，32位平台下时4个字节，64位平台下时8个字节.这个结构一般用于数据结构顺序表中，第一个变量称为数据域，第二个变量称为指针域。
在数据结构中，一般用typedef对结构体进行重命名

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

把struct Node这个结构体重命名为Node

注意：这个和结构体全局变量不一样

struct Node
{
    int data;
    char ch;
}node;

这是定义一个结构体变量的全局变量，变量名叫做node

5.结构体定义与初始化

  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全局变量p1
int main()
{
     struct Point p2; //定义结构体局部变量p2
}

  进行初始化：定义变量的同时赋初值

struct Stu     //类型声明
{
    char ch;
    int age;  
};
struct Stu s1 = {'h', 20};//初始化，按顺序进行初始化
struct Stu s2 = {.ch='h',.age=20};//不关心顺序

  嵌套其他结构体进行定义与初始化

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1;
struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化,注意大括号位置
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化

6.结构体内存对齐

  我们已经对结构体有了一定的了解，结构体的大小是多少呢？？

  观察下面代码

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

结构体中有三个成员变量，char占一个字节，int占4个字节，加起来应该占6个字节。但是打印结构并不是6,而是12。为什莫呢？？

这就需要介绍下结构体内存对齐原则：

  a.. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

  b. 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,Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

  c. 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。

根据默认对齐数
1.首先找出每个成员的对齐数

2.根据每个成员对应的对齐数画出它们在内存中的相对位置

3.计算出结构体总大小

最大对齐数为4，根据分析，一共需要 12个字节

根据结构体默认对齐数规则，计算一下下面代码大小

{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

经过计算，结构体大小为8
  这两个结构体内容一样，只不过是成员变量顺序不一样。 我们的原则是能省空间就省空间。那应该如何做呢？？
  让占用空间小的成员尽量集中在一起。

以后定义多个成员变量时注意一下

为什末会存在内存对齐呢？？

  a. 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。

  b. 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。

7.修改默认对齐数

  使用#pragma就可以改变我们的默认对齐数。 #pragma pack()

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

计算下面代码所占空间大小

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
  //输出的结果是什么？
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));
  return 0;
 }

默认对齐数为1，打印结果是6

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，但也不要随便使用，一般设置2的n次方，设置不合适反而降低效率

8.结构体传参

结构体在传参时，有传值调用和传址调用，哪个更好呢

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};、
//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)//如果不想修改s的值，在形参前面加const修饰
{
     printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
    struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
    print1(s);  //传结构体
    print2(&s); //传地址
    return 0;
}

首先print2函数
为什莫呢 ？？？
   传什么变量，就意味着要先为这个变量开辟空间,那如果我一个结构体，先为这个结构体开辟足够多的空间，然后才能把值拷贝过去，那这个结构体如果比较大的话，比方说40个字节，那就一个非常大的空间。那如果我是一个指针呢，指针大小只有四字节，我只需要给指针变量开辟四字节的空间。   

简而言之，传值调用需要用同样大的空间接受，而用传址调用，只需要用函数传参的时候，用一个4个字节或者8个字节的空间接受就可以,节省空间。   

函数传参时，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。

结构体传参的时候，要传结构体的地址

二.位段

1.什末是位段呢？
  a.位段成员必须为整型家族
  b.位段成员后面有一个冒号和一个数字

举例说明

struct A
{
     int a:2;
     int b:5;
     int c:10;
     int d:30;
};

这个数字的含义是神魔呢？

这个数字代表所占变量的二进制位

这个位段类型的大小是多少呢？？
  a变量占2个比特位，b变量占5个比特位，c变量占10个比特位，d变量占30个比特位。
  int类型有4个字节，32个比特位。在这一个int中把a，b，c放进去，还剩17个比特位，而d占30个比特位，剩余空间放不开，vs中舍弃剩余的，开辟新空间存储d。
  那么，所占空间大小就是8个字节。

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

举例说明

struct S
{
   char a:3;
   char b:4;
   char c:5;
   char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的

把数据的二进制位写出来，进行截断，放入相应位置

vs采取多于位置省略，从右向左存储二进制位，空缺位置补0.

在内存中存储的应该就是62 03 04

这仅是vs版本

3.位段的跨平台问题

  a. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

  b.. 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。

  c. 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。

  d. 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。

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。

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