C语言-结构体

结构体

在 C 语言中，char、int、float……等属于系统内置的基本数据类型，往往只能解决简单的问题。当遇到比较复杂的问题时，只使用基本数据类型是难以满足实际开发需求的。因此C 语言允许用户根据实际项目需求，自定义一些数据类型，并且用它们来定义变量。

结构体是一种组合数据类型，由用户自己定义。结构体类型中的元素既可以是基本数据类型，也可以结构体类型。

定义结构体类型的一般格式为：

struct 结构体名
{
成员列表
};

成员列表由多个成员组成，每个成员都必须作类型声明，成员声明格式为：

数据类型 成员名;

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
};//一定要有分号

定义结构体变量的三种方式

1. 先定义结构体类型，再定义结构体变量，一般形式为：

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
};

struct Employee emp;//全局的结构体变量

2. 在定义结构体类型的同时定义变量，一般形式为：

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
}emp, emp1;//emp，emp1就是全局变量

3. 直接定义结构体变量，并且不需指定结构体名，一般形式为：

struct
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
}emp;

这种方式由于没有指定结构体名，不能再使用该结构体类型去定义其他变量

两个完全相同的匿名结构体，编译器也会把他们当做两个完全不同的类型

结构体的自引用

结构体中是不能直接包含一个该结构体本身的成员变量的，否则sizeof(struct Node)就无法计算其值，会类似递归一直循环计算

struct Node
{
	int value;
	struct Node next;//错误写法
};

此时就需要用到结构体类型的指针

指向结构体变量的指针就是结构体指针，指针变量中保存一个结构体变量的地址， 则这个指针变量指向该结构体变量，需要注意的是指针变量的类型必须和结构体变量的类型相同。

定义结构体指针变量的一般形式为： struct 结构体名* 指针变量名

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

结构体变量初始化

在 C 语言中，结构体变量初始化，本质上是对结构体变量中的成员进行初始化，使用花括号{ }在初始化列表中对结构体变量中各个成员进行初始化。

结构体中的成员可以是标量，数组，指针，甚至是其他结构体。

编译器会将“test”、20、1、10000按照顺序依次赋值给结构体变量emp中的成员name、 age、id、salary。

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
};

struct Employee emp = {“test”,20,1,10000};

除了采用初始化列表，还可以使用赋值运算符对成员进行初始化

#include
#include
struct Employee
{
    char name[8];
    int age;
    int id;
    int salary;
};      

int main(void)
{
    struct Employee emp;
    strcpy(emp.name,"test");
    emp.age=20;
    emp.id=1;
    emp.salary=10000;
    getchar();
    return 0;
}

使用成员列表的方式初始化时，编译器会自动将字符串“test”复制到字符数组 name 中。而使用成员赋值方式初始化时，需要调用 strcpy 函数，将字符串“test”复制到字符数组 name 中。

在 C 语言中，通过结构体指针 p 也可以引用结构体中的属性（成员变量），有以下两种方式：

(1) (*p).成员变量名; *p表示的是结构体变量，可以通过变量直接引用其属性。注意，“.”运算符优先级是最高的，(*p_emp)两侧的括号不能省略。
(2) p->成员变量名; p表示的是指向结构体变量的指针，“->”称为指向运算符。

#include
struct Employee
{
    char name[8];
    int age;
    int id;
    int salary;
};

int main(void)
{
    struct Employee emp={"test",20,1,10000};
    struct Employee *p_emp = &emp;
    printf("%s\n", p_emp->name);
    printf("%d\n", (*p_emp).age);
    printf("%d\n", emp.id);
    printf("%d\n", emp.salary);
    getchar();
    return 0;
}

typedef 给类型起别名

在 C 语言中，除了使用 C 语言提供的标准类型名：char、int、double……以及自定义的结构体类型。还可以使用 typedef 关键字指定一个新的类型名来代替已有的类型名，相当于给已有类型起别名。

typedef 的一般使用形式为： typedef 原类型名 新类型名

#include

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
};

typedef int integer;//给基本数据类型起别名
typedef struct Employee test;//给结构体类型起别名

int main(void)
{
    integer a=10;
    test t = {"test",20,1,10000};//如果不起别名，定义结构体类型的变量时，需加struct
    printf("%d\n",a);
    printf("%s",t.name);
    getchar();
    return 0;
}

起别名的另一种方式

typedef struct Stu
{
	int age;
}Stu;

结构体复制

在 C 语言中，允许相同类型的结构体变量之间相互赋值。

#include

struct Employee
{
char name[8];
int age;
int id;
int salary;
};

typedef struct Employee test;

int main(void)
{
    test t1 = {"test",20,1,10000};
    test t2 = t1;//将结构体变量t1的各个成员的值原样复制一份到变量t2的各个成员中，t1变量中数据的修改不会影响到t2变量
    getchar();
    return 0;
}

如果不想复制一份数据，可以使用指针，这样p_t2就也指向t1变量对应的数据

test *p_t2 = &t1;

结构体传参

#include

struct S 
{
	int i;
	char c;
};

//如果直接把结构体传入test函数，test函数中使用的是传入的结构体的一份拷贝
//改变其内容，并不会影响传入的结构体
void test(struct S s)
{
	s.i = 5;
	s.c = 'a';
}

int main(){
	struct S s = {0};
	test(s);
	printf("%d\n", s.i);//还是输出0
	printf("%d\n", s.c);//还是输出0
    getchar();
    return 0;
}

如果想要实现改变传入的结构体的数据，则可以传其地址或者说指针

#include

struct S 
{
	int i;
	char c;
};

void test(struct S* s)
{
	s->i = 5;//结构体指针就可以使用这种->的方式，获取结构体内部的属性
	s->c = 'a';
}

int main(){
	struct S s = {0};
	test(&s);
	printf("%d\n", s.i);//输出5
	printf("%c\n", s.c);//输出a
    getchar();
    return 0;
}

结构体内存对齐

结构体的对齐规则

1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处

2.从结构体变量偏移量为0的地址处开始算，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数据的大小相比的较小值

VS中默认的对齐数为8（gcc编译器没有默认对齐数）

3.结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数，取其中的最大值）的整数倍

4.如果嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍

#include
 
//假设s1的内存地址为0x00000010
struct S1
{
	char c1;//c1在结构体变量偏移量为0的位置，所以c1的内存地址为0x00000010，char类型的数据占了一个字节
	char c2;//c2的对齐数为1，所以c2的内存地址为0x00000011
	//value占4个字节，4与8比较，4较小，所以value的对齐数为4，所以要从s1偏移量为0的地址开始算对齐数整数倍的地址，给value
	//所以value的地址为0x00000014，0x00000012和0x00000013地址都被跳过，最后value再占4个字节，s1的所占内存总大小为8个字节
	int value;
};

//假设s2的内存地址为0x00000010
struct S2
{
	char c1;//c1在结构体变量偏移量为0的位置，所以c1的内存地址为0x00000010，char类型的数据占了一个字节
	//value占4个字节，4与8比较，4较小，所以value的对齐数为4，所以要从s2偏移量为0的地址开始算对齐数整数倍的地址，给value
	//所以value的地址为0x00000014，0x00000011、0x00000012、0x00000013地址都被跳过
	int value;
	//c2的对齐数为1，c2的内存地址为0x00000018
	char c2;
	//但是在计算结构体所占内存的总大小时，要为最大对齐数的整数倍数，此时结构体中所有数据占了9个字节，最大对齐数为4
	//所以s2的总大小为12，0x00000019、0x00000020、0x00000021的空间都被浪费
};

int main(void)
{
	struct S1 s1 = {0};
	struct S2 s2 = {0};
	printf("%d\n", sizeof(s1));//输出8
	printf("%d\n", sizeof(s2));//输出12
	getchar();
	return 0;
}

结构体嵌套的情况

#include
//计算s111的大小为16，s111的最大对齐数为8
struct S1
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

//假设s222的内存地址为0x00000010
struct S2
{
    //c的内存地址为0x00000010
	char c;
    //嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，s1的最大对齐数为8，所以s1的内存地址为0x00000018，0x00000011~0x00000017都被浪费了，又因为s1的大小为16，所以s1占用16个字节的空间
	struct S1 s1;
    //d的内存地址为0x00000034，d占用8个字节，所以最后s222占用的内存空间为32
	double d;
};

int main(void)
{
	struct S1 s111 = {0};
	struct S2 s222 = {0};
	printf("%d\n", sizeof(s1));//输出16
	printf("%d\n", sizeof(s2));//输出32
	getchar();
	return 0;
}

可以使用offsetof宏，来计算结构体中某变量相对于首地址的偏移

函数原型：size_t offsetof(structName, memberName);

#include
#include

struct S1
{
	char c;
	int i;
	double d;
};

int main(void)
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c));//输出0
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));//输出4
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, d));//输出8
	getchar();
	return 0;
}

为什么存在内存对齐？

1.平台原因。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，否则会抛出硬件异常

2.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。为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问，而对齐的内存仅需要一次访问

所以内存对齐，是一种空间换时间的做法

可以更改默认对齐数，使用预处理指令#pragma

#include
 
#pragma pack(4)//设置默认对齐数为4
struct S1
{
	char c;
	double d;
};
# pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认值

int main(void)
{
	struct S1 s1 = {0};
	printf("%d\n", sizeof(s1));//输出12
	getchar();
	return 0;
}

位段

位段的声明和结构体是类似的，但是有两个不同

1.位段的成员必须是int、signed int、unsigned int或者short、char（整型类型）

2.位段的成员名后面有一个冒号和一个数字，如果是int类型的成员，数字不能大于32，如果是char类型的成员，数字不能大于8

位段的是按照需要开辟内存使用空间的，如果位段的成员是int类型，则以4个字节为单位开辟空间，如果位段的成员是char类型，则以1个字节为单位开辟空间

#include

//位段，指的是二进制位
struct S 
{
	int a : 2;//a变量需要2个比特位
	int b : 5;//b变量需要5个比特位
	int c : 10;//c变量需要10个比特位
	int d : 30;//d变量需要30个比特位
};

int main(){
	struct S s = {0};
    //在开辟内存时，位段S中数据类型为int，所以先分配4个字节，a占2个比特位，b占5个比特位，c占10个比特位，这个字节中还剩余15个比特位，不够分配给d，所以会再开辟4个字节的空间用于存放d，这15个比特位的未使用空间会被浪费掉。所以最后s占了8个字节的空间
	printf("%d\n", sizeof(s));//输出8
    getchar();
    return 0;
}

位段赋值时

#include

struct S 
{
	char a : 3;//一个字节中，从右往左占3个比特位
	char b : 4;//一个字节中，从右往左占4个比特位
	char c : 5;//一个字节中，从右往左占5个比特位
	char d : 4;//一个字节中，从右往左占4个比特位
	//所以所占内存为 0bbbbaaa 000ccccc 0000dddd
};

int main(){
	struct S s = {0};
	printf("%d\n", sizeof(s));//输出3，这个位段占3个字节
	s.a = 10;//10的二进制是1010，但是a只占3个比特位，所以只有010会放入a的内存空间中
	s.b = 20;//20的二进制是10100，但是b只占4个比特位，所以只有0100会放入b的内存空间中
	s.c = 3;//3的二进制是11，但是c占5个比特位，所以会把00011会放入c的内存空间中
	s.d = 4;//4的二进制是100，但是d占4个比特位，所以只有0100会放入d的内存空间中
	//所以在赋值完之后，位段从0bbbbaaa 000ccccc 0000dddd变为00100010 00000011 00000100，转化为16进制22 03 04
    return 0;
}

位段涉及很多不确定因素，是不跨平台的

枚举

枚举的定义

#include

enum Color
{
	//枚举的可能取值-是常量
	RED,//默认值为0，可以在定义的时候修改，但是只能在定义的时候修改。比如RED = 5；如果RED为5，那么GREEN的值为6，BLUE的值为7。比如RED = 'a'；那么GREEN的值为b，BLUE的值为c
	GREEN,
	BLUE
};

int main()
{
	enum Color c = BLUE;
	//输出0 1 2，是这三个枚举常量的默认值
	printf("%d %d %d", RED, GREEN, BLUE);//为什么可以直接取到这三个枚举值？
    return 0;
}

枚举中每个常量是什么类型的数据，是由编译器指定的，一般是整型，可以用sizeof()计算其大小，然后看是什么类型的数据

#define也可以定义常量

#include
#define RED 0;

int main()
{
	int red = RED;
	printf("%d", red);//输出0
    return 0;
}

枚举相比于#define的好处

1.增加代码的可读性和可维护性

2.相比于#define，枚举有类型检查，更加严谨。#define只是声明了一个标识符，但是枚举中的变量，类型为此枚举类型

联合

联合也叫共用体或者联合体

联合是一种特殊的自定义类型，在联合中的成员变量，共用同一块内存空间。

#include

union MyUnion
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union MyUnion un = {0};
	printf("%d\n", sizeof(un));//输出4
    //un的地址、un.c的地址、un.i的地址都是一样的
	printf("%p\n", &un);
	printf("%p\n", &(un.c));
	printf("%p\n", &(un.i));
    return 0;
}

联合变量的大小，至少是最大成员的大小

当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍时，就要对齐到最大对齐数的整数倍

//最大成员大小为arr的大小5，但是最大对齐数为4，所以MyUnion联合体的大小为8个字节
union MyUnion
{
	int i;//最大对齐数为4
	char arr[5];//最大对齐数为1，是按照数组中元素的数据类型来决定最大对齐数的
};