C语言--结构体详解

1.结构体产生原因

C语言将数据类型分为了两种，一种是内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，这些内置类型能够很好的描述单个物体的某一具体特性，但是假设我想描述学⽣，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。

定义：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，如：标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体

2.结构体声明

2.1 结构体的声明

结构体一般定义如下：

struct tag//struct是关键字，tag是结构类型名称，自拟，struct tag是结构体变量类型
{
 member-list;//{}中间是用于描述的变量集合
}variable-list;//variable-list是struct tag的变量声明
//variable-list == struct tag variable-list

例如描述一个学生：

struct Student
{
 char name[20];//名字
 int age;//年龄
 char sex[5];//性别
 char id[20];//学号
}std; //分号不能省,std == struct Student std

2.2 结构体的初始化

#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，即名字，年龄，性别，学号
 struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
 //这种方式初始化不可调整顺序，且必须包含所有元素信息，否在会发生信息错误
 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，可随意自行
 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥}
 //这种方式初始化可任意调整顺序，不必按照结构体的声明顺序进行
 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;
}

特殊结构体声明：在声明结构的时候，可以不完全的声明。

//匿名结构体类型，即不对结构体命名
struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}x;

struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}a[20], *p;

如果没有对匿名结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。

2.3结构体自引用

结构体中可以引用自身，正确引用方式如下：

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

struct Node* next是定义的一个变量为next的结构体变量。
此处不可改为struct Node next，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。
简单来说就是结构体中只能使用结构体指针。

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

typedef 是将 struct Node 重命名为 Node ，即 struct Node == Node ，Node 是struct Node 的重命名为，但是在结构体里面不能直接使用 *Node，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，因为在使用*Node之前，Node是不存在的，只能在Node出现之后才能使用。

3.结构体内存对齐

3.1 对齐规则

1. 结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

2. 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与 该成员变量⼤⼩的较⼩值。

• VS 中默认的值为 8
• Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩

3. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）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⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

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

规则 1 :如图假设是一块内存区域，结构体从 “0” 的位置开始往后存放，那么c1的偏移量就是0。

规则2：int 类型的对齐数为4，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是4，i 的内存就是从偏移量为4的位置开始，中间的 “1，2，3” 会被浪费掉。

char类型的对齐数是1，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是1，c2 内存就是从偏移量为8的位置开始.

规则3：结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍，即为4，中间的“9，10，11”会被浪费掉，所以最后的结果为12.

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

规则 1 :如图假设是一块内存区域，结构体从 “0” 的位置开始往后存放，那么c1的偏移量就是0。

规则2：char类型的对齐数是1，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是1，c2 内存就是从偏移量为1的位置开始.

int 类型的对齐数为4，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是4，i 的内存就是从偏移量为4的位置开始，中间的 “2，3” 会被浪费掉。

规则3：结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍，即为4，所以最后的结果为8.

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

规则 1 :如图假设是一块内存区域，结构体从 “0” 的位置开始往后存放，那么d的偏移量就是0。

规则2：char类型的对齐数是1，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是1，c 内存就是从偏移量为8的位置开始.

int 类型的对齐数为4，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是4，i 的内存就是从偏移量为12的位置开始，中间的 “9，10，11” 会被浪费掉。

规则3：结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍，即为8，所以最后的结果为16.

//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));

规则 1 :如图假设是一块内存区域，结构体从 “0” 的位置开始往后存放，那么c的偏移量就是0。

规则2、4：由上面可知结构体s3的大小为16，结构体s3⾃⼰成员中最⼤对⻬数是8，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就是8，s3 内存就是从偏移量为8的位置开始，中间部分会被浪费掉。

double 类型的对齐数为8，编译器默认的对⻬数是8，二者取小值就8，d 的内存就是从偏移量为24的位置开始.

规则3：结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍，即为8，所以最后的结果为32.

3.2 为什么存在内存对齐

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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

3.3 修改默认对⻬数

#pragma pack() 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数,括号中填要更改的对齐数。

#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;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

4. 结构体传参

结构体传参一般有两种方式，即传值传参和传址传参

struct S
{
 int data[1000];
 int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};

//结构体传值传参
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;
}

结构体一般使用的是传址传参，因为函数传参的时候，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。