C语言之自定义类型：结构体

1. 结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，先稍微复习一下。

结构体回顾

结构体是一些值得集合，这些值被称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。

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
};//不要忘记分号

2. 结构体变量的创建和初始化

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 

struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
};//不要忘记分号



int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "zhangsan",20,"男","202012100" };

	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
	struct Stu s2 = { .age = 18,.name = "lisi",.id = "1210010",.sex = "女" };
	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;
}

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

//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。

结构体的自引用

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大，是不合理的。

正确的自引用方式：

struct Node {
	int data;//存放数据
	struct Node* next;//存放写一个节点的地址
};

在结构体自引用使用过程中，夹杂了typedef对匿名结构体类型的重命名。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了

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

3. 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

看一个代码：

为什么大小是有差异的呢？

又是怎么来计算的呢？

struct s1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

struct s2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));

	return 0;
}

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没有默认参数，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。

对齐规则练习1

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
	return 0;
}

对齐规则练习2

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
	return 0;
}

对齐规则练习3

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16
	return 0;
}

对齐规则练习4

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32
	return 0;
}

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；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。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

让占用空间小的成员尽量集中在一起

就如练习1和练习2，两个类型成员一模一样，但是S1和S2所占用空间的大小有了一些区别。

offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

//宏
//offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
#include //得包含头文件
struct s1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%zd\n", offsetof(struct s1, c1));//0
	printf("%zd\n", offsetof(struct s1, c2));//1
	printf("%zd\n", offsetof(struct s1, i));//4
	return 0;
}

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。

#pragma pack(1)//设置默认对齐为1

struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S));//6
	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。

4. 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;
}

上面应首选print2函数

函数传参的时候，参数是需要压栈，会有事件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。

5. 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。
位段是基于结构体的
位段的出现就是为了节省空间

什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 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
2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));//8
}

A就是一个位段类型。
位段A所占内存的大小是8字节

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

//一个例子
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
}
//空间是如何开辟的？

位段的垮台问题

1. int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的
2. 位段中最大的数目不确定。（16位机器最大，32位机器最大，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. 当一个结构体包含两个位段，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：

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好地节省空间，但是有跨平台的问题存在

位段的应用

下面是网络协议中，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

位段使用的注意事项

位段的几个成员共有一个字节，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 : 32;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	struct A sa = { 0 };

	scanf("%d", &sa._b);//错误方式

	//正确演示
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa._b = b;
	return 0;
}