当前位置 博文首页 > HyDraZya的博客：【C语言进阶】自定义类型（1）结构体
目录
一、结构体类型的声明
结构的声明
特殊的声明
二、结构的自引用
结构体正确的自引用方式
三、结构体变量的定义和初始化
四、结构体内存对齐
结构体的对齐规则
为什么存在内存对齐?
修改默认对齐数
百度笔试题
五、结构体传参
六、结构体实现位段（位段的填充&可移植性）
什么是位段？
位段的内存分配
位段的跨平台问题
位段的应用
首先我们来了解一下结构的基础知识：
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不同类型的变量。
如数组是一组相同类型的元素的集合，而结构体也是一些值的集合，结构体的每个成员可以是不同类型的。
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
//结构体关键字：struct
//结构体的标签：tag
//结构体的类型：struct tag
//结构的成员列表：member_list
//结构体变量列表：variable_list例：
#include <stdio.h>
//声明一个结构体类型
//声明一个学生类型，是想通过学生类型来创建学生变量(对象)
//描述学生：属性 - 名字+性别+年龄+电话号码
struct Stu
{
char name[20]; //名字
char sex[10]; //性别
int age; //年龄
char phone[12];//电话
}; //记住这里要加分号
struct Stu s3;//全局变量
int main()
{
//创建的结构体变量
struct Stu s1;
struct Stu s2;
return 0;
}在声明结构的时候，可以不完全的声明。
例：
//匿名结构体类型
struct
{
int a;
char c;
}sa;
struct
{
int a;
char c;
}* psa;//匿名结构体指针类型
?思考：在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
int main()
{
psa = &sa;
return 0;
}执行结果：
?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。
结论：当两个匿名结构体类型内部的内容一样时，仍然是两个不同结构体类型?
思考1：在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？
//代码1
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};思考2：可行吗？如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？
解答：不行。
假设代码1中的方式可以执行，那么在创建结构体的过程中，struct Node next由于结构体struct Node类型还没创建完成，所以其类型的大小是未知的，而struct Node类型的是否能成功创建又依赖于struct Node next类型大小的确定性。
所以这两者自相矛盾。因此上述方法不行！
//代码2
struct Node
{
int data;//4 数据域
struct Node* next;//4/8 指针域
};思考3：这串代码为什么可以成功呢？
解答：首先此处结构体自应用方式并不是直接利用结构体来创建变量，而是创建指向该结构体类型的指针。
我们知道，指针的大小跟其所指向的类型无关，仅跟平台环境有关，32位平台指针大小为4个字节，64位平台，指针大小为8个字节。
正因为指针大小的确定性，所以再自引用的时候结构体类型的整体大小也是可以确定的。
思考4：这样写代码可行吗？
//代码3
typedef struct
{
int data;
Node *next;
}Node;解答：不行
由于此时struct后面省略掉了Node，所以匿名重新命名结构体为Node，那么此时编译器就会不认识Node。（就好比先有鸡还是先有蛋）
因为结构体类型有重命名才能产生Node，而此时还未定义Node就在结构体内部使用了Node，所以会产生错误。
解决方案：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node *next;
}Node;有了结构体类型，那要怎么样来定义结构体变量和初始化变量呢？
例1：
struct Point
{
int x;
int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};
例2：
struct S //类型声明
{
char name;//姓名
int age;//年龄
double d;//身高
char sex;//性别
};
int main()
{
struct S s = {'c', 20, 182.5, "boy"};//初始化
return 0;
}?例3：
#include <stdio.h>
struct T
{
double weight;//体重
double height;//身高
}p;
struct S //类型声明
{
char name;//姓名
struct T p;
short age;//年龄
char sex[5];//性别
};
int main()
{
struct S s = {'A', {63.5, 182.5}, 20, "boy"};//结构体嵌套初始化
printf("%c %lf %lf %d %s\n", s.name, s.p.weight, s.p.height, s.age, s.sex);
return 0;
}关于结构体的基本使用到这里我们就差不多掌握了。
现在我们深入讨论一个问题：我们都知道任何的数据类型都应有其对应的内存空间大小。如?char大小为1个字节，int 为4个字节，double 为8个字节等，如果无法确定大小，就无法在创建的时候知道该分配给该类型变量的内存空间是多少。
那么，结构体的大小是多少？又该如计算结构体的大小呢？?
让我们来研究一下热门考点：结构体内存对齐
1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为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大小的较小值。?
- VS中默认的值为8
- Linux中的默认值为4
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）的整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，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。（注：不是整体，是自身最大对齐数）
练习1：
#include<stdio.h>
struct s1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s1));
return 0;
}
执行结果：
分析：
练习2：
#include<stdio.h>
struct s2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s2));
return 0;
}
执行结果：
分析：
?练习3：
#include<stdio.h>
struct s3
{
double d;
char c;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s3));
return 0;
}
执行结果：
分析：
?练习4：
#include<stdio.h>
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));
return 0;
}?执行结果：
分析：
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。
?总体来说： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
当我们在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间时：
我们需要让占用空间小的成员尽量集中在一起。
例：
struct s1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct s2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
此时s1和s2类型的成员一模一样，但是s1和s2所占用的空间大小是有区别的，前者大小为12个字节，后者为8个字节，显然后者这种方式空间利用的效率更高。
之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct s1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct s2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s1));
printf("%d\n", sizeof(struct s2));
return 0;
}执行结果：
分析：
由于s1的值我们之前已经知道了大小为12，那么我们来分析一下s2的值为什么是6？
?结论：结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。
写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明
我们这边首先要用到宏，即 offsetof
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct s2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%d\n", offsetof(struct s2, c1));
printf("%d\n", offsetof(struct s2, i));
printf("%d\n", offsetof(struct s2, c2));
return 0;
}
执行结果：
直接举例：
#include <stdio.h>
struct S
{
int a;
char c;
double d;
};
struct S s = { {1, 2, 3, 4}, 1000 };
void Init(struct S tmp)
{
tmp.a = 100;
tmp.c = 'w';
tmp.d = 3.14;
}
//结构体传参
void Print1(struct S tmp)
{
printf("%d %c %lf\n", tmp.a, tmp.c, tmp.d);
}
//结构体地址传参
void Print2(struct S* ps)
{
printf("%d %c %lf\n", ps->a, ps->c, ps->d);
}
int main()
{
struct S s = {0};
Init(s);
Print1(s);//传结构体
print2(&s);//传结构体地址
return 0;
}
结构体传参有两种方式：
- 传递结构体对象（传值），对应的就是print1函数的方式
- 传递结构体地址（传址），对应的就是print2函数的方式
思考：上面的print1和print2函数哪个好些 ?
答案：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。
结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段?的能力。
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 。
- 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。?
例：?
#include<stdio.h>
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct A));
return 0;
}
A就是一个位段类型。 那位段A的大小是多少呢？?
执行结果：
1.位段的成员可以是int unsigned intsigned int或者是char(属于整形家族）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。
而这些不确定因素体现在：
（1）空间是否要被浪费？
（2）空间是从左向右使用还是从右向左使用？
比如说VS2019：先开辟1 / 4个字节， 从右向左使用时，空间会被浪费
例：
#include<stdio.h>
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;
return 0;
}
思考：空间是如何开辟的？
执行结果（前）：
?执行结果（后）：
分析：
1）先开辟一个char类型大小的空间，也就是占用了1个字节。
2）将a的3个bit内容从右往左放入该字节中，此时还剩下5bit大小的空间
3）再将b的4个bit内容放到a的后面，此时还剩下1bit大小的空间
4）1bit空间内部不够c中5bit的内容存放，于是重新开辟了一个字节空间，从右往左后此时剩下了3bit大小的空间
5）剩下的空间(3bit)不够d的4bit内容存放，于是又重新开辟了一个字节空间，从右往左将d的4bit内容放进去
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。
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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
网络传输协议包（计算机网络）
