C语言·自定义类型：结构体

1. 结构体类型的声明

        如何创建和声明一个结构体的内容在操作符详解中已经讲解过了，详情：

C语言·操作符详解https://blog.csdn.net/atlanteep/article/details/134224723

1.1 结构体的特殊声明       

         在一般的结构体声明中要包含三个元素  tag(结构体标签)  member - list(成员列表)  variable - list(变量列表)，但是有一种特殊声明，在声明结构体的时候不写结构体标签 tag ，这时它就是个匿名结构体类型，其性质就是只能用一次

                                        

        就比如这段代码，将x的地址赋给变量p是合法的吗？乍一看，它们的结构体类型都是一样的，所以这么赋值时说的过去的，但是事实上编译器是会报错的

    

        编译器认为了它们的类型是不同的，因为它们都是匿名的，压根就没有类型名，所以根本无法判断它们是不是同一种类型，于是索性就直接认为它们不是同一种类型。

        像这种匿名结构体的声明方式，我们只有在确定只会用一次的情况下才会这么声明，一般来说还是要写上结构体类型名(结构体标签)的。

1.2 结构体的自引用

        结构体的成员中包含自己本身的用法叫做结构体的自引用，一般结构体的自引用用在数据结构中的链表中，这里我先浅说一下数据结构是什么，之后我会专门开一个系列用来讲解数据结构

        数据结构描述的是数据在内存中存储和组织结构，数据结构中包含线性数据结构，树形数据结构，图

        顺序表是在一大块内存中开辟一块连续的空间用来存放数据

        链表是在一大块内存中随机开辟几个空间用来存放数据，但是这几块空间之间是有联系的，上一块空间中记录着下一块空间的地址，也就是说，找到这块空间我就能知道下一块空间在哪，从而调用下一块空间内的数据。这其中的每一块空间都被叫做一个节点

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        下面我们尝试定义一个链表的节点

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2. 结构体内存对齐

        我们看这样一段代码

        明明只是两个char类型成员的位置不同而已，为何算出来的结构体大小也不同了，这就涉及到结构体内存对齐的知识

2.1 对齐规则

        1. 结构体的第一个成员对齐到和结构体起始指针的0偏移处，就是说这个结构体内存块的指针起始位置在哪，其第一个成员的起始位置就存在哪

        2. 其他成员要对齐到对齐数的整数倍地址处

        3. 结构体总大小是所有成员中的最大对齐数的整数倍

        4. 如果结构体中嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐数是其自身成员中的最大对齐数，其大小就是自身大小

        对齐数：编译器默认的对齐数 与 该成员变量大小的 较小值

        vs中默认的对齐数是8

        Linux中gcc，没有默认对齐数，对齐数就是成员变量自身的大小

        下面我来分析一下刚才的案例

        我们直接拿struct s2讲解，首先将每个成员的对齐数分析出来，分别是1，4，1。

        第一个成员的位置就是结构体内存块的0偏移处(结构体的起始位置)其大小占1个字节。第二个成员的位置是其对齐数4的整数倍，也就是偏移量为4的位置，其大小占4个字节。第三个成员的位置是其对齐数1的整数倍，下一块没有使用过的内存分配给它，也就是偏移量为8的位置，其大小占1个字节。

        此时给结构体开辟了9个字节的空间，并不满足规则3，结构体大小是其最大对齐数的整数倍，所以要将其扩展成符合规则的，最大对齐数是4，所以struct s2的大小要扩展成12个字节

        剩下那些空白的内存块就是被浪费掉了，除非这块结构体内存被释放，否则其中并不会再有数据写入。

        当然，我从来不骗人，C语言中有一个宏可以验证一下我的话

        offsetof (type,member);

        使用要包含头文件

        第一个参数是结构体类型名，第二个参数是成员名，其返回的结果就是这个成员在结构体中的偏移量，返回类型是size_t

        官网资料：offsetof - C++ Reference

        这样，我们验证出来了三个成员的偏移量确实分别是0，4，8

2.2 为什么存在内存对齐

        第一点是平台原因(移植原因)：不是所有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的数据类型，否则抛出硬件异常

        第二点是性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能的在自然边界上对齐，原因在于对齐了的内存处理器只需要访问一次就可以取到全部数据，而未对齐的内存需要访问两次才能取到全部数据

        总的来说，结构体的内存对齐是拿空间换时间的做法

        在设计结构体的时候，我们既要考虑对齐又要节省空间的方法就是：让占用空间小的成员尽量集中在一起，就像刚才的结构体s1和s2的例子

2.3 修改默认对齐

        #pragma 这个预处理指令是可以修改编译器默认对齐数的，一般我们会将默认对齐数修改成2的几次方的值

        我们可以明显的看出来现在结构体s2的3个变量都紧挨在一起了

3. 结构体传参

        结构体传参实例

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        结构体传参的时候最好使用指针的方式传递，因为函数传参的时候，参数需要压栈，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将会较大，这会导致性能的下降

4. 结构体实现位段

4.1 什么是位段

        位段的声明和结构体类似，知识有两点不同。第一点是位段的成员必须是int、unsigned int、signed int，在C99中位段的成员可以选择其他类型。第二点是成员名后面要跟一个冒号和一个数字。

        我们来实现开辟一个位段,并观察一下它于结构体的不同之处

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        很明显，如果按结构体大小的计算方式看的话，这个结构体A应该占用4*4=16个字节，但是事实上这个位段只占用了8个字节

        这就是位段的作用：节省空间

        我开辟这个位段意思是给变量_a分配2个比特位，给变量_b分配5个比特位，给变量_c分配10个比特位，给变量_d分配30个比特位，这么一算总共需要47个比特位，相当于一个7个字节多一点，但是结果是开辟了8个字节。

        所以说即使是为了节省空间而生的位段，也是会有空间的浪费，只是浪费量大大减少了。这些只是大概简述一下位段是如何分配空间的，接下来我会以vs平台为例讲解vs平台下的位段是怎么分配空间的

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

        在vs中运行下面这段代码，观察s变量的内存情况

        下面我们分析一下程序的运行过程

        位段中变量类型的char、int的意思是当上一块空间不够用之后下一块空间开辟几个字节，比如刚才A的位段就是在4个字节中分配完2、5、10给比特位之后发现分配不下30个比特位了，于是就又开辟了4个字节。

        首先s变量的类型是struct S因此计算机首先给s开辟这个类型需要的空间，3个字节。

        a需要3个比特位，所以在第一个字节末尾给3个比特位存10，但是10的二进制是1010存不下，于是只能舍弃第一位，只存010。接下来b需要4个比特位存12，于是存在下一组比特位上。接下来为c开辟5个比特位，但是这个字节中已经存不下了，所以就将c的值3存到下一个字节中。最后给d分配4个比特位，第二个字节中也没那么多比特位了，就放到第三个字节当中。

        因为s早已经被初始化成0了，所以说s变量维护的那三个字节早就被初始化成0了，因此我画的那些空着的比特位中填的其实都是0

        接下来我们按16进制把这个s的内容解析一下，发现和内存中存的值是一样的，这也验证了我们对vs中是如何使用位段的猜测是正确的

        最后，有一个有意思的点值得说一下，我们观察内存中的这些值，这里我设置的是4个字节为一行展示内存块的，也就是说62是一个字节，03是一个字节，04是一个字节，cc是一个字节。最后面那个b..?之前讲过，意思是这四个字节可能代表的字符，并没有实际意义。

        vs会把那些暂时没用的内存块中填上cc，这也是为什么当字符数组越界打印的时候可能会打印出来一堆 烫烫烫 字样的乱码。通过这一点我们可以分析出s变量确实只操作了3个字节，第四个字节还保持着原始的没有操作痕迹的cc

        

4.4 位段的应用

        下图是网络协议中IP数据报的格式，我们可以发现其中很多属性只需要几个比特位就可以描述，这里使用位段，既可以节省使用空间，又有利于网络传输的畅通性

4.5 位段使用的注意事项

        一个字节中的比特位是没有地址的，所以我们不能对位段中的成员变量使用 &符号 

        就比如试图直接scanf一个位段成员，这种做法是错误的，正确做法是先scanf到一个变量中，再把这个变量赋值给位段的成员