自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)

目录

  • 引言
  • 一、结构体类型的概念与声明
    • 1.1 结构体的概念
    • 1.2 结构体的声明
  • 二、结构体变量的创建和初始化
    • 2.1 结构体变量的创建
    • 2.3 结构体变量的初始化
  • 三、结构体成员访问操作符
    • 3.1 结构体成员的直接访问
    • 3.2 结构体成员的间接访问
  • 四、结构体的特殊声明和自引用
    • 4.1 结构体的特殊声明
    • 4.2 结构体的自引用
  • 五、结构体内存对齐
    • 5.1 对齐规则
    • 5.2 为什么存在内存对齐?
    • 5.3 修改默认对齐数
  • 六、结构体传参
  • 七、结构体实现位段
    • 7.1 什么是位段?
    • 7.2 位段的内存分配
    • 7.3 位段的跨平台问题
    • 7.4 位段的应用
    • 7.5 位段使用的注意事项

学习专栏

《零基础学C语言》
《数据结构世界》

引言

结构体的学习,对后期数据结构十分有帮助。因为数据结构的实现基本都用到了结构体,所以现在打好基础,扎实对结构体的认识与使用,为后期学习数据结构做准备(对数据结构感兴趣的小伙伴,可先移步至数据结构学习专栏:《数据结构世界》)

一、结构体类型的概念与声明

C语言已经提供了内置类型,如:char、short、int、long、float、double等,但是只有这些内置类型还是不够的,假设我想描述学生,描述一本书,这时单一的内置类型是不行的。描述一个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等;描述一本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题,增加了结构体这种自定义的数据类型,让程序员可以自己创造适合的类型。

1.1 结构体的概念

结构体是⼀些值的集合,这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

1.2 结构体的声明

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

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

二、结构体变量的创建和初始化

2.1 结构体变量的创建

结构体变量的创建有两种方法:

  • 声明类型的同时定义变量
  • 直接外部定义结构体变量
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

2.3 结构体变量的初始化

结构体变量的初始化有两种顺序:

  • 按照结构体成员的顺序初始化
  • 按照指定的顺序初始化
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" };

 //按照指定的顺序初始化
 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥" };

 return 0; 
}
  • 结构体还可以嵌套初始化
struct Point
{
 int x;
 int y;
};

struct Node
{
 int data;
 struct Point p;
 struct Node* next; 
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //声明类型的同时定义变量并初始化

struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化

三、结构体成员访问操作符

3.1 结构体成员的直接访问

结构体成员的直接访问是通过点操作符(.)访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示:

struct Point
{
 int x;
 int y;
}p = {1,2};

int main()
{
 printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y);
 return 0; 
}
  • 使用方式:结构体变量.成员名

3.2 结构体成员的间接访问

有时候我们得到的不是⼀个结构体变量,而是得到了⼀个指向结构体的指针。那我们则用结构体成员的间接访问的方式,用箭头操作符(->)访问。如下所示:

struct Point
{
 int x;
 int y;
};

int main()
{
 struct Point p = {3, 4};
 struct Point *ptr = &p;
 ptr->x = 10;
 ptr->y = 20;
 printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);
 return 0;
 }
  • 使用方式:结构体指针->成员名

四、结构体的特殊声明和自引用

4.1 结构体的特殊声明

在声明结构体的时候,可以不完全的声明,这种结构体,称为匿名结构体。

//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:

//在上⾯代码的基础上,下⾯的代码合法吗?
p = &x;

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

4.2 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?
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;//数据域
 struct Node* next;//指针域
};

在结构体自引用的过程中,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

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

五、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

5.1 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。

先来看两道练习题:

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第1张图片

下图是S1的内存对齐示意图

  • 首先,从起始位置开始,先存放c1(char类型),占一个字节,对齐数为1。
  • 其次,要存放i(int类型),占4个字节。4和8比较,取较小值,则对齐数为4。从起始位置后4个字节空间后存入。
  • 然后,再存入c2(char类型),占一个字节,对齐数为1。
  • 最后,1和4和1比较,最大对齐数为4。则结构体大小要为4的整数倍,末尾再往后3个字节空间,最终大小为12。

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第2张图片
根据S1的讲解,你是否能自行画出S2的内存对齐图呢?


再来看两道练习题:

//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第3张图片

下图是S3的内存对齐示意图

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第4张图片
根据S3的图片理解,你是否能自行画出S4的内存对齐图呢?

5.2 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

举个例子

  • 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
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S2的空间却小于S1。

5.3 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。

六、结构体传参

两种传参方式:

  • 结构体传参
  • 结构体地址传参
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。

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

七、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。

7.1 什么是位段?

位段的声明和结构体是类似的,有两个不同:

  1. 位段的成员必须是 char、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。

7.2 位段的内存分配

那位段A所占内存的大小是多少?

  • 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。
  • 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;

VS平台:

  • 位段的内存是逐个开辟的,由低地址向高地址
  • 位段的分配是从右往左的(高地址向低地址)
  • 位段的单位是bit

分析:

  1. a初始大小为3个bit,先开辟一个字节空间(char)进行储存
  2. b初始大小为4个bit,还可以放得下,则放在位段a的左边
  3. c初始大小为5个bit,一个字节放不下了,则在右边再开辟一个字节
  4. d依此类推
  5. a赋值10,则先转化为二进制,再将后三位放入位段中
  6. bcd依此类推

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第5张图片

7.3 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: 跟结构体相比,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。

7.4 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。

自定义类型:结构体(你真的掌握了内存对齐,位段吗?)_第6张图片

7.5 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
{
 char _a:3;
 char _b:4;
 char _c:5;
 char _d:4;
};

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;
}

看到这里了还不给博主扣个:
⛳️ 点赞☀️收藏 ⭐️ 关注!
❤️
拜托拜托这个真的很重要!
你们的点赞就是博主更新最大的动力!
有问题可以评论或者私信呢秒回哦。

你可能感兴趣的:(零基础学C语言,结构体,c语言,位段,内存对齐)