C语言学习——结构体类型，结构体的创建和初始化，结构中存在的内存对齐的讲解

一、结构体介绍

在C语言中，结构体(struct）指的是一种数据结构，是C语言中聚合数据类型(aggregate data type)的一类。结构体可以被声明为变量、指针或数组等，用以实现较复杂的数据结构。结构体同时也是一些元素的集合，这些元素称为结构体的成员(member)，且这些成员可以为不同的类型，成员一般用名字访问。

二、结构体的类型、定义及声明

结构体的定义如下所示，struct为结构体关键字，tag为结构体的标志，struct tag表示结构体类型member-list为结构体成员列表，其必须列出其所有成员，variable-list为此结构体声明的变量。

struct tag {
 member-list
 } variable-list ; 

下面演示几个结构体的定义

1.匿名结构体

struct {
    char name[20];
    int age;
    double score;
} s1;

上面定义了一个成员为char类型数组、int类型、double类型，没有标志，同时声明了结构体变量为s1的结构体，这种结构体叫做匿名结构体。

对于匿名结构体，我们有以下几点需要注意：

1.这种声明出来的结构体类型我们只能定义一次变量，即该结构体专属于s1。
2.如果存在两个匿名结构体类型的成员变量完全一样，而声明的结构体变量不同，那么这两个结构体仍然是两个完全不同的类型，出现以下代码则是非法的行为。

struct {
    char name[20];
    int age;
    double score;
} s1;

struct {
    char name[20];
    int age;
    double score;
} a[20], *p;

int main()
{
	p = &s1;//非法行为，这两个结构体被看作是完全不同的类型
	return 0;
}

2.重定义结构体类型名

有时候我们为了让代码可读性更强，会将结构体的标志写的更完整些，但这对我们后面对结构体的调用显得不是那么的简明，所以我们在这里可以使用typedef来对结构体类型名重定义。

typedef struct student{
    char name[20];
    int age;
    double score;
} stu;

注意此时stu并不是声明的结构体变量，而是重定义的一个标签，这样我们以后可以用结构体类型名struct stu来代替struct student，来创建结构体变量。

3.结构体的自引用

产生自引用的想法，是我们想让结构体中的变量通过结构体，找到下一个结构体中的变量，他们就像一个链条一样环环相扣。
我们尝试写出以下代码：

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

在这种情况下，我们通过自引用，仿佛实现了我们的想法，但是用sizeof计算该结构体大小的时候，编译器会报出如下错误：

每个结构体套用一个自身，这种思想我们在函数递归操作中也是用过，而且我们对于结构体的这种调用，是没有限制的，理论上可以套无数个该类型的结构体。
正确的方法我们应该用一个指针，用指向地址的方式，来帮助这一个结构体变量来寻找下一个结构体变量。我们知道指针的类型根据使用平台的不同，是4/8个字节，那么一个结构体类型的大小我们就可以确定了。

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

三、结构体的初始化

对于结构体的初始化，我们可以在创建时就对他声明，如

struct student{
    char name[20];
    int age;
    double score;
} s1={"zhangsan",34,89.33};

也可以在使用前初始化

typedef struct student{
    char name[20];
    int age;
    double score;
} stu;
int main()
{
	struct stu S={"zhangsan",34,89.33};
	//...
  return 0;
}

四、结构体的内存对齐

我们先来看一组例子

struct S1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
struct S2
{
	char a;
	char b;
	int c;
};
int main()
{
	printf("%d %d\n", sizeof(struct S1),sizeof(struct S2));
	return 0;
}

运行的结果是

12 8

明明拥有同样的成员，为什么用sizeof计算出的内存大小却不一样？

这是因为，结构体在内存中的对齐满足以下规则：

1.结构体中的第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2.其它成员变量要对齐到一个名叫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结构体中的成员变量大小中的较小值。在vs2022,默认对齐数为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.如果存在了嵌套结构体的情况,嵌套的结构体则对齐到自己的成员变量中最大对齐数的整数倍处,包含该嵌套结构体的结构体大小为其成员变量(包含嵌套结构体)最大对齐数的整数倍。

我们通过画图来更详细的讲解一下上述示例

对于结构体S1：

对于结构体S2:

在计算内存偏移的时候，我们可以引入offsetof函数来帮助我们验证结构,使用offsetof前，应包含<stddef.h>头文件。

struct S1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, a));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, b));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c));
	return 0;
}

运行结果是：

0
4
8

为什么要设置规则，让结构体在内存中有对齐这种说法呢，这是因为：

1.不是所有的硬件平台都能够访问任意地址处的任意数据的，某些硬件平台只能在某些地址处取特定类型的数据，否则就会抛出硬件异常。
2.数据结构（尤其是栈）因该尽可能的在自然边界上对齐。为了访问未对齐的数据，处理器需要做两次内存访问，而对齐的内存只需要一次访问就够了。

简单来说，结构体的内存对齐就是一种用空间换取时间的做法，浪费空间来换取性能上的提升。那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，让占用空间小的成员尽量集中到一起，这就可以降低一些空间的浪费了。

以上就是对结构体类型，结构体的创建和初始化，结构中存在的内存对齐的讲解，希望对您的学习有所帮助。