自定义类型：结构体

本章重点

结构体类型的声明

结构的自引用

结构体变量的定义和初始化

结构体内存对齐

结构体传参

结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

1 .结构体的声明

1.1 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是不同类型的变量。

1.2 结构的声明

struct tag
{
member-list;
}
//定义应该学生结构体
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}; //分号不能丢

1.3 特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

//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）。

不能出现p = &x;这样的代码，匿名函数用一次就没有用了，所以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。

1.4 结构的自引用

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

以上的写法是错误的，因为这样写会导致sizeof(struct Node)过大，正确的写法应该是下面这种，只需要把另一个结构体的地址放进去，这样就不会导致结构体的内存过大。

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

//代码3
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//代码3写法是不正确的因为typedef定义结构体是后完成的，
而结构体里面提前使用了，这样编译器会报错
//解决方案：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

1.5 结构体变量的定义和初始化

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};
struct Stu     //类型声明
{
    char name[15];//名字
    int age;    //年龄
};
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化
struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化

1.6 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。

如何计算？

首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2. 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

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。

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

char c1字节数是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1；第一个char从0开始对齐。

int i字节数是4，默认对齐数是8，对齐数是4；从4 的倍数4开始对齐。

char c2字节数是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1；第二个char从8开始对齐。

成员中最大对齐数是4，0-8一共是9个字节，不是4的整倍数，因而对齐到11, 0-11一共12个字节数。

所以S1一共占用12个字节。

//练习2
struct S2
{
    double d;
    char c;
    int i
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

double d字节数是8，默认对齐数是8，所以对齐数是8，占用0-7共8个字节。

char c字节数是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1；char从8开始对齐，占用1个字节。

int i字节数是4，默认对齐数是8，对齐数是4；从4 的倍数12开始对齐，占用12-15四个字节。

成员中最大对齐数是8，0-15一共是16个字节，是8的整倍数，所以S2一共占用16个字节。

struct S2
{
    double d;
    char c;
    int i
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3-结构体嵌套问题
struct S3
{
    char c1;
    struct S2 s2;
    double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

char c1字节数是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1；char从0开始对齐，占用1个字节。

S2中最大对齐数是8,由上例得出S2占用16个字节，所以S2从8的倍数8开始对齐，共占用8-23一共16个字节。

double d字节数是8，默认对齐数是8，所以对齐数是8，24是8的倍数，占用24-31共8个字节。

成员中最大对齐数是8，0-31一共是32个字节，是8的整倍数，所以S3一共占用32个字节。

为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是如是说的：

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。

总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

//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比S2占用的空间要大。

1.7 修改默认对齐数

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;
}

输出S1为12，S2为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。

1.8 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;
}

结构体传参首选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。

2. 位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。

2.1 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 。

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;
};

A就是一个位段类型。

2.2 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 （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。

//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;

空间是如何开辟的？

如图所示，位段成员是char类型，所以一个字节一个字节开辟

a：10，16进制表示为01010，位段定义a取三个比特位，故取010，放到第一个字节。

b: 12，16进制表示为01100，位段定义b取四个比特位，故取1100，放到第一个字节。

c：3， 16进制表示为 00011，位段定义c取五个比特位，故取00011，第一个字节不够放下，故重新开辟第二个字节，放到第二个字节。

d：4， 16进制表示为 00100，位段定义c取五个比特位，故取0100，第二个字节不够放下，故重新开辟第三个字节，放到第三个字节。

用十六进制打印为62、03、04

2.3 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。

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。