C语言结构体

1. 引言

当描述比较复杂的事物时，单一的类型难以清晰描述，因此C语言给了自定义类型的能力，自定义类型中有一种叫结构体struct的类型。结构体是将单一类型组合在一起。

2. 定义

结构体是用一组不同的数据类型来构建的，定义一个Stu的结构体：

struct Student
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
	char tel[12];
	char project[10];
	int score;
};

其中，struct Student表示结构体类型，花括号里的声明的变量表示结构体成员，且结构体定义必须用一个分号来结束。
在这里创建一个struct Student类型的变量s,例如：struct Student s = {“张三”,20,“男”,”13212345678”,90};

3. 结构体传参和成员访问

3.1 传参

结构体传参有两种方式：
一是传值；
二是传址。

3.2 成员访问

访问结构体成员有两种访问方式：
一是结构体变量.成员名（.表示结构体成员操作符）；
二是结构体指针->成员名（->表示结构体指针操作符，该用法的前提是得到了一个结构体指针）。

以struct Stu为例：

void print1(struct Student ss)
{
    //结构体变量名.成员名
	printf("%s %d %s %s\n",ss.name, ss.age, ss.sex, ss.tel);
}
void print2(struct Student* ps)
{
	//结构体指针变量->成员名
	printf("%s %d %s %s\n", ps->name, ps->age, ps->sex, ps->tel);
}

int main()
{
	struct Student s = { "张三",20,"男","13212345678","math",90 };
	print1(s);//传递结构体对象
	print2(&s);//传递结构体指针
	return 0;
}

说明：若是传递结构体对象，变量ss是s的临时拷贝，需要开辟新的内存空间，而且如果结构体过大，参数压栈时在时间和空间上造成比较大的系统开销，导致性能下降，因此，结构体传参时，选择传递结构体变量的地址，减少系统开销。

3. 结构体占用内存大小

事实上，结构体中的成员并不一定是连续存储在内存单元中的，在一个结构体的存储区域内可能会存在一些“空洞”，这是因为计算机是按照一定的边界来存储不同数据类型的变量。
要计算一个结构体内存占用情况，首先要掌握结构体的内存对齐规则。

3.1 内存对齐规则

1. 第一个成员在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）；
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，嵌套的结构体对齐到自己最大对齐数的整数倍处，结构体整体大小就是所有对齐数（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

举例

以以下两个结构体为例，虽然成员变量一样，但是两个结构体所占内存不同。
第一种：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

第二种：

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

针对第一种情况：
第一个字节相对于起始位置的偏移量为0，在偏移量为0的内存中存放c1；接下来存放整型变量i，i占用内存4个字节，编译器默认对齐数8（VS编译器默认值为8），对齐数取两者较小值，即4，因此在偏移量为4的内存中开始存放i；接下来存放字符变量c2，c2占用内存1个字节，对齐数取1和8的较小值，即1，在偏移量为8的内存中存放c2。那么结构体总大小为最大对齐数（这里是4）的整数倍，即12。可视化内存情况如图1所示：

图1 第一种内存占用情况
针对第二种情况：
在偏移量为0的内存中存放c1；接下来存放字符变量c2，c2占用内存1个字节，对齐数取1和8的较小值，即1，在偏移量为1的内存中存放c2；接下来存放整型变量i，i占用内存4个字节，对齐数取4，因此在偏移量为4的内存中开始存放i；那么结构体总大小为最大对齐数（这里是4）的整数倍，即8。如图2所示：

图2 第二种内存占用情况
对齐规则是与机器相关的，一个结构体在内存中的存储结果也是与机器相关的。

3.2 内存对齐原因

存在内存对齐有两个原因：

3.2.1 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；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会造成硬件异常。

3.2.2 性能原因

数据结构（尤其是栈）应该尽可能在自然边界上对齐，原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要两次访问内存；而对齐的内存仅需要一次访问。
结构体内存对齐是用空间换时间的做法。因此在设计结构体时，既要满足对齐，又要节省空间，应该让占用空间小的成员尽量集中在一起。

4. typedef的使用

关键字typedef提供了一种为已定义好的数据类型创建同义词（或别名）的机制。为了创建更简短的类型名，使用typedef来为结构体类型起名，例如：将类型struct Student其名为Stu，即：typedef struct Student Stu;使用typedef可提高程序的可读性和可维护性。