C语言从入门到实战——结构体与位段
结构体与位段
- 前言
- 一、结构体类型的声明
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- 1.1 结构体
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- 1.1.1 结构的声明
- 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
- 1.2 结构的特殊声明
- 1.3 结构的自引用
- 二、 结构体内存对齐
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- 2.1 对齐规则
- 2.2 为什么存在内存对齐
- 2.3 修改默认对齐数
- 三、结构体传参
- 四、 结构体实现位段
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- 4.1 什么是位段
- 4.2 位段的内存分配
- 4.3 位段的跨平台问题
- 4.4 位段的应用
- 4.5 位段使用的注意事项
前言
C语言中的结构体是一种自定义的数据类型，可以用来表示多个不同类型的数据的集合。结构体是由多个变量组成的，每个变量称为结构体的成员。
使用结构体需要先定义结构体类型，然后可以声明该类型的变量。
定义结构体类型的语法如下：
struct 结构体类型名 {
成员类型1 成员名1;
成员类型2 成员名2;
...
};
例如，定义一个表示学生的结构体类型：
struct Student {
int id;
char name[20];
float score;
};
上面的代码定义了一个名为Student的结构体类型，该类型有三个成员：id、name和score。
声明结构体变量的语法如下：
struct 结构体类型名 变量名;
例如，声明一个名为student1的Student结构体变量：
struct Student student1;
可以使用.操作符来访问结构体变量的成员，例如：
student1.id = 1;
strcpy(student1.name, "Tom");
student1.score = 90.5;
上面的代码给student1结构体变量的成员赋值。
结构体变量的初始化可以使用赋值运算符=，例如：
struct Student student2 = {2, "Jerry", 85.5};
上面的代码创建了一个名为student2的Student结构体变量，并初始化了其成员的值。
结构体变量的成员可以使用.操作符来访问，例如：
printf("学生ID：%d\n", student1.id);
printf("学生姓名：%s\n", student1.name);
printf("学生成绩：%f\n", student1.score);
上面的代码输出了student1结构体变量的成员的值。
注意，结构体的成员可以是任意类型，包括基本数据类型、指针、数组、其他结构体等。可以通过.操作符来访问结构体的成员，也可以使用指针来访问结构体的成员，使用指针访问结构体的成员需要使用->操作符。
例如，使用指针访问结构体的成员：
struct Student *ptr_student = &student1;
ptr_student->id = 3;
strcpy(ptr_student->name, "Alice");
ptr_student->score = 95.5;
C语言中，位段（bit-field）是一种数据结构，用于将内存空间的位字段化。它可以让用户指定一个存储单元中需要使用的位数。
位段使用的语法形式如下：
struct {
type [member_name] : width;
};
其中，type 可以是整型数据类型（如 int、char 等），[member_name] 是位段的名称，width 是位段的宽度，指定了需要使用的位数。
例如，下面的代码定义了一个具有 3 个位段的结构体：
struct {
unsigned int a : 4;
unsigned int b : 5;
unsigned int c : 3;
} bitfield;
在这个结构体中，a 的宽度为 4 位，b 的宽度为 5 位，c 的宽度为 3 位。
位段可以用于节省内存空间，因为它只使用所需的位数，而不是整个字节或字的空间。
然而，由于位段是由编译器决定如何存储，它的具体实现可能在不同的编译器和平台上有所不同。因此，在使用位段时需要注意其可移植性和实现细节。
一、结构体类型的声明
1.1 结构体
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。
1.1.1 结构的声明
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
1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include 
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？
//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。
1.3 结构的自引用
在结构体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？
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;
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。
2.1 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。
当然，除上述之外，我们还可以使用宏定义来实现偏移量的计算
offsetof 计算结构体相较于起始位置的偏移量
//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));
//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));
#include 
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：
- 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。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
//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 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。
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。
四、 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。
4.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
- 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。 - 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：
位段的出现就是为了节约空间
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？
printf("%d\n", sizeof(struct A));
4.2 位段的内存分配
- 位段的成员可以是
intunsigned intsigned int或者是char等类型 - 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。
//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？
在vs里位段是从右向左使用的，在其他编译器下需要自己验证
4.3 位段的跨平台问题
int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。- 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。)
- 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。
- 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。
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;
}