【C语言(十三)】

自定义类型：结构体

一、结构体类型的声明 

1.1、结构体回顾

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。 

1.1.1、结构的声明 

例如描述⼀个学生：

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

 1.1.2、结构体变量的创建和初始化

#include 

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

int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
	printf("name: %s\n", s.name);
	printf("age : %d\n", s.age);
	printf("sex : %s\n", s.sex);
	printf("id : %s\n", s.id);

	//按照指定的顺序初始化
	struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥"};
	printf("name: %s\n", s2.name);
	printf("age : %d\n", s2.age);
	printf("sex : %s\n", s2.sex);
	printf("id : %s\n", s2.id);
	return 0;
}

1.2、结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。 

比如： 

//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;

 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。

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。 

1.3、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?

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;

二、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。

2.1、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和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 gcc 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。

//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	struct S2 s2 = { 0 };

	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

#include 
//宏
//offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

2.2、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： 

//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些区别。

2.3、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。

#include 

#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认

int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

三、结构体传参 

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); //传地址
	return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？

答案是：首选print2函数。

结论：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

四、结构体实现位段

4.1、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。

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所占内存的大小是多少？

4.2、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。

//⼀个例⼦
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？

以上我们做了假设： ①假设内存空间从右向左使用；②如果剩余的空间不够下一个成员使用，就浪费。

4.3、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。（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。

4.4、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。

 

4.5、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某个字节的起始位置，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。

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

int main()
{
	struct A sa = { 0 };
	scanf("%d", &sa._b);//这是错误的

	//正确的⽰范
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa._b = b;
	return 0;
}