自定义类型：结构体struct-优快云博客

本文详细介绍了C语言中结构体的概念、变量定义、内存对齐规则、结构体传参、位段的使用以及注意事项，包括自引用结构体、匿名结构体的限制和内存对齐的重要性。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

前言

同一种类型的数据的集合是数组，和数组不同，结构体是多种类型的数据的集合。即我们可以自定义类型。

一、什么是结构体

结构体是一种自定义类型。我们可以在里面定义多种不同的变量。假设我想描述学生，描述一本书，单⼀的内置类型是不行的。描述⼀个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等,C语⾔为了解决这个问题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型.

结构体的声明

struct tag
{
 member-list;
}variable-list;

描述一个学生

struct Stu
{
    char name[20];//名字
    int age;//年龄
    char sex[5];//性别
    char id[5];//学号
};//分号不能丢

1.1结构体的变量的定义和初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
};
int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
	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 = "20230818002", .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;
	}

.运算符 是用来指向结构体成员的如 a.b 表示的就是结构体a中的成员b。

当我们使用指针时。我们使用的是->运算符

1.2结构体的特殊声明

在声明结构的时候，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。在上面的代码基础上，下面的代码是否合法？

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。

1.3 结构体的自引用

在结构中包含⼀个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

比如：

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

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的⼤，是不合理的。

正确的自引用方式如下：

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

对一个匿名结构体进行typedef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。

定义结构体不要使⽤匿名结构体了

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

二、结构体内存对齐

对于一个结构体的大小我们该怎么计算呢？这也是一个热门的考点。

给出一个结构体

struct Stu
{
    char a;
    int b;
    
};

2.1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⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

2. 其他成员变量要对⻬到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。

对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与该成员变量⼤⼩的较⼩值。

VS 中默认的值为 8，Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员自身的⼤⼩

先解释前俩个规则

在struct Stu中的第一个成员是char类型的a；char类型占一个字节（变量的大小）；

编译器默认对齐数是8；那8和1的较小值就是1（对齐数）；那么char类型的a就要对齐到1的整数倍的地址处。第一个成员要在0位置。

第二个成员是int类型的b；int类型占4个字节；那么4和8中的较小值就是4（对齐数）；那么int类型的b就要对齐到4的整数倍的地址处。如图：b就要对齐到4的倍数。

算到这里结构体大小就是8个字节,结构体的大小就是8了吗？让我们再来看看后面的规则。

3. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的 整数倍。

在给出的结构体中int类型的b是的对齐数是4，是所有成员中最大的对齐数，如上图，

总大小应该4的倍数，因此最终的结构体大小就是8；

基本的算法思路就是这样。那么我们嵌套了一个结构体会怎么样？

struct Stu
{
    char a;
    int b;
    
};

struct P
{
    char m;
    int n;
    strcut Stu p;

};

我们看第四条规则。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

我们也通过画图来看

大小是16；刚好是所有成员最大的对齐数就是4，16就是4的倍数。因此最终结果就是16。

在掌握了规则之后，我们再练习几个例子。

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
//练习5-成员中有数组
struct S5
{
    int i1;
    char c2[10];
    float f1;
}
//练习6
struct S6
{
    char c1;
    int i[5];
    float f1;
}

代码1的结果是12个字节.

代码2的结果是8字节.

代码3的结果是16个字节.

代码4的结果是32个字节。

如果结构体有数组怎么办呢？实际上可以把数组的每个成员当作一个类型变量，char name[10] ---- char name[0] 、 char name[1] ... ... char name[9].每一个成员都要对齐它的类型的大小和对齐数的较小值。那么char name[10] 就是连续的存放.

代码5的结果是20个字节.

同样的道理代码6的结果就是48个字节。

在计算对齐结果时，最重要的就是看清数据类型的大小和对齐数的较小值，通过画图来计算。

了解到这我们介绍一个函数叫做offsetof();可以知道每个成员的偏移量是多少。

所需头文件<stddef.h>

size_t offsetof(structName,memberName);

用法:

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
struct Stu {
    char age;
    int name;
    float score;
};

int main()
{
    printf("%d\n", offsetof(struct Stu, age) );
    printf("%d\n", offsetof(struct Stu, name));
    printf("%d\n", offsetof(struct Stu, score));
    printf("%d\n", sizeof(struct Stu));

    return 0;
}

输出结果:

2.2为什么会存在内存对齐

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。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：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那我们在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让空间小的成员尽量集中到一起。例如

//例如：
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。

2.2 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。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

输出的结果是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。

三、结构体传参

我们知道函数可以传参，那结构体是如何传参的呢？我们给出下面的代码

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;
}

上面的代码都可以打印出结果。那我们选用哪个更好呢？我们知道在编译阶段，函数是需要开辟内存的，传参同样需要开辟内存，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。

所以我们首选传地址print2(&s);注意传递地址之后我们需要使用到->来指向成员的。

四、结构体实现位段

4.1 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。

比如：

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

那位段A所占内存的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

结果是8；这是为什么？

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。

//⼀个例⼦
struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

位段的内存开辟是以bit位来开辟的。拿上面的代码举例。首先是char类型有0000 0000 一个字节大小。第一个成员a我们给了3个bit，b是4个bit，c是5个bit，d是4个bit。创建第一个char类型大小的内存，我们拿vs中小端存储来解释。a是3bit那么a就是第一个字节中后三位。因为b是4bit，而第一个字节中还留有余地。所以b是在a之前的4位。因为c是5bit，而第一字节的空间不足。所以开辟了第二字节0000 0000. 同理是第二字节的后5位。因为d是4bit，而第二字节的空间不足，所以开辟了第三字节0000 0000. 最后结构体的大小就是3字节。若为给一个位段指定是多少字节那么就默认位它的类型大小。

那么给位段赋值之后的结果是多少？图中a，b，c，d的空间大小我们已经给定，而且是以bit位的方式来给定的，因此，储存时只能保留给定的空间大小。

因此在第一个字节中就是01100010十六进制就是62.

第二字节就是00000011十六进制就是3.

第三字节就是00000100十六进制就是4.

4.3 位段的跨平台问题

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。

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

4.5 位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同⼀个字节，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 : 2;
     int _b : 5;
     int _c : 10;
     int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}

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