C语言：自定义类型：结构体

1。什么是结构体：

我们平时接触的类型有整形int，字符型char，还有数组这种构造类型，数组中所有类型都相同，调用起来十分方便。除此之外，有时我们需要定义一些不同的复杂类型，它可能包括多种不同属性，不同属性需要不同类型来表示。假如我要定义一个学生类型，用来储存学生信息，它包括学生姓名，年龄和身高体重等，学生姓名就用char类型定义，年龄就用int类型定义，身高体重就用float类型定义。再把它们封装成一个整体，即定义成一个结构体（structure）

struct 结构体名称
{
    成员列表
};

关键字struct表示声明的是一个结构体，“结构体名称”表示创建新类型名，大括号里面的“成员列表” 包括结构体所有成员。注意声明结构体时大括号后面的“;”不能省略了。

比如我定义一个学生（student）这种类型，如下：

struct student
{
    char name[20];
    int age;
    float high;
};

上面struct声明了一个student结构体类型，在这个结构体中有三个变量，表示学生姓名，学生年龄，学生身高，并为其设置了相应的类型。 

2.结构体变量定义：

我们声明了结构体，就创建了一种新的结构体，然后我们就可以用这种结构体类型定义新的变量，定义结构体变量的方式有三种：

第一种：（先声明结构体类型，再定义结构体变量）

struct student
{
    char name[20];//学生名字
    int age;      //学生年龄    
    float high;   //学生身高 
};

struct student s1; //在结构体声明之后定义变量
struct student s2;

这里的s1和s2都是结构体变量，且它们都是struct student类型。 

第二种：（在声明结构体的同时定义结构体变量）

struct student
{
    char name[20];
    int age;
    float high;
}s1,s2;        //声明结构体类型的同时定义变量

 第三种：（匿名结构体类型）

在声明结构体类型的时候可以不完全声明：匿名结构体类型。

匿名结构体类型：不给结构体类型赋予名称。

struct 
{
    int a;
    char b;
    float c;
}x;
struct
{
    int a;
    char d;
    int c;
}a[20],*p;

上面两个结构体在声明的时候省略了结构体名称（匿名结构体类型）

如果对上代码进行 p=&x；这种操作是否合法？

（这种操作是错误的）

1.编译器会将上面两个声明看作两个完全不同的类型，不同类型不能进行赋值操作，所以是非法的。

2。匿名结构体在不重命名的前提下，因为没有名字，所以只能用一次。

 3.结构体变量的引用：

struct date
{
	int year;
	int month;
	int day;
};
struct student
{
	char name[20];
	int age;
	struct date birthday;
}student1;

如果成员本身又属于一个结构体类型，就需要用.（成员结构访问操作符）找到最低一级的成员对其进行初始化，存取以及运算操作。现在我们想给上面student1的生日（birthday）进行赋值。

struct date
{
	int year;
	int month;
	int day;
};
struct student
{
	char name[20];
	int age;
	struct date birthday;
}student1;
student1.birthday.year = 2005;
student1.birthday.month = 11;
student1.birthday.day = 27;

4.结构体的创建和初始化：

#include<stdio.h>
struct date
{
	int year;
	int month;
	int day;
};
struct student
{
	char name[20];
	int age;
	struct date birthday;
}student1, student2;
int main()
{
	struct student student1 = { "zhangsan",20,
.birthday.year = 2000,
.birthday.month = 10,
.birthday.day = 29 };//两种初始化方式都可以
	struct student student2 = { .age = 18,.name = "lisi",
.birthday.year = 2005,
.birthday.month = 11,
.birthday.day = 29 };
	printf("%s %d %d %d %d\n", student1.name, student1.age, 
		student1.birthday.year,
		student1.birthday.month,
		student1.birthday.day);
	printf("%s %d %d %d %d", student2.name, student2.age, 
		student2.birthday.year,
		student2.birthday.month,
		student2.birthday.day);
	return 0;
}

第一种初始化（按顺序）：根据结构体内成员变量的先后，按顺序初始化。比如，结构体中第一个是name（名字），第二个age（年龄），第三个birthday（生日）嵌套结构体，然后就在student1中依次初始化第一个为"zhangsan"，第二个20，第三个

.birthday.year = 2000,
.birthday.month = 10,
.birthday.day = 29。

 第二种初始化（不按顺序）：可以任意顺序初始化，我想先初始化age（年龄），在student2中，只需要在age前面加一个成员结构访问操作符.像这样（.age=18），就不用按顺序去初始化了。

5.结构体内存对齐：

在掌握了基本结构体的使用之后，结合体也存在内存，那如何计算结构体大小呢？

这是一个热门考点：结构体内存对齐。

在计算结构体内存前我们要掌握结构体对齐规则：

1.结构体第一个成员变量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）的整数倍的位置处。

对齐数=编译器默认的一个对齐数 与 该成员变量类型大小的最小值。

vs默认对齐数：8

- Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬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，最大的对齐数）的整数倍

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套结构体成员变量对齐到自己成员变量中的最大对齐数的整数倍，结构体整体大小就是所有对齐数的整数倍（包括嵌套结构体成员变量）

下面进行代码练习：

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习3-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

第一个练习：

根据对齐规则，第一个成员变量（char）对齐到偏移量为0的位置

第一个成员变量.     第二个成员变量.    第三个成员变量.       

  总大小 ： 

第二个成员变量大小为4个字节（整形）与vs默认对齐数（8字节）比较大小，选择小的（4字节），并对齐到偏移量为4的整数倍出的地址。如图，就从偏移量为4处开始对齐，对齐4位。

第三个成员变量（char）储存到偏移量为1（1<8（vs默认对齐数））的整数倍的地址处，直接对齐到后面一个位置处。 

最后，又根据对齐规则，结构体总大小是最大对齐数的整数倍，最大对齐数4，如图此时偏移量在9（非4（最大对齐数）的整数倍）处，所以要浪费3个字节，对齐到偏移量为12（4的整数倍）的地址处。所以结构体（struct s1）大小为12字节。

第二个练习： 又根据对齐规则：
第一个成员变量（double）从偏移量为0处的地址，存放八个字节。

第一个成员变量.    第二个成员变量.   

第三个成员变量.      

第二个成员变量（char）对齐数1（1<8（vs默认对齐数）），对齐到偏移量为1的整数倍的地址处，直接依次取后面一个地址就行了。 

第三个成员变量（int）对齐数4（4<8（vs默认对齐数）），对齐到偏移量为4的整数倍的地址处，如图，从偏移量12处开始对齐，对齐4个字节到偏移量为16处。

结构体（struct s3）总内存为16字节。

第三个练习：（结构体嵌套问题）

第一个成员变量（char）大小为1，对齐到偏移量为0的地址处。

第一个成员变量.第二个成员变量.第三个成员变量.

第二个成员变量（struct s3），根据对齐规则，对齐数为嵌套结构体内成员变量最大对齐数（8）的整数倍，如图，从偏移量为8处，依次放16个字节（struct s3的大小）。

第三个成员变量（double），看图，此时偏移量为24，恰好是对齐数8的整数倍，便依次往后对齐8个字节。 

对齐完后偏移量为32，恰好是结构体内（包括嵌套结构体）内的成员变量中最大对齐数（8）的整数倍，结构体总大小32字节。

为什么要内存对齐：

了解了对齐规则后，那为什么要对齐呢？

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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要 作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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。

总的来说：结构体内存对齐就是用空间换时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，怎么才能做到呢？

//第一种
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
//第二种
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

看上面两种结构体声明，我们会发现，两种结构体内成员变量都一样，只是顺序不一样，最后两种结构体大小也不一样，第一种结构体大小12，第二种结构体大小位8。

总结：我们要把占空间小的成员变量尽量集中在一起。

6.修改默认对齐数：

#pragma预处理指令，可以修改编译器的默认对齐数。

#pragma pack(number)操作可以将默认对齐数修改为number。

#pragma pack()又可以恢复默认对齐数。

#include<stdio.h>
int main()
{
#pragma pack(1)//修改默认对齐数，改为1
	struct s
	{
		char a;
		int b;
		char c;
	};
#pragma pack()//恢复默认对齐数
	struct ss
	{
		char aa;
		int bb;
		char cc;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct s));
	printf("%d", sizeof(struct ss));
	return 0;
}

在vs运行结果：

7.结构体传参：

结构体传参用两种：一种是传结构体，第二种是传结构体地址。

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);//->用于指针访问成员变量
}
int main()
{
 print1(s); //传结构体
 print2(&s); //传地址
 return 0;
}

 但是像上面两种结构体传参，第二种传地址更好。因为函数传参的时候，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。

结构体传参时最好传结构体的地址。