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自定义类型：结构体（你真的掌握了内存对齐，位段吗？）

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：

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
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
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。
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));

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。

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));

下图是S3的内存对齐示意图

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：

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。
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：

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。
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。