结构体的声明使用及存储方式

原创已于 2023-01-13 08:56:23 修改 · 3.4k 阅读

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#c++ #开发语言 #结构体 #内存对齐 #位段

于 2023-01-13 08:30:00 首次发布

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本文详细介绍了C语言中的结构体，包括结构体的声明与使用，如简单声明、特殊声明、自引用、变量定义与初始化以及结构体作为函数参数的传递。接着，文章深入讨论了结构体在内存中的存储方式，特别是内存对齐的概念和计算规则，并展示了如何修改默认对齐数。此外，还探讨了结构体的位段，解释了位段的声明、内存分配及其不确定性。最后，文章强调了结构体在编程中的重要性和需要注意的事项。

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本篇文章对C语言中的结构体进行了深度剖析。对结构体的声明、使用、内存存储方式等等重点内容进行详细介绍。

一、结构体的声明与使用

1、1 结构体的简单声明

首先我们应该知道结构体什么。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。

我们看结构体的声明代码模板。

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

tag是标签的意思，也就是我们要声明哪一类的结构体。member-list是成员变量列表，是我们声明成员变量的地方。variable-list是对象变量列表，相当于声明对象变量。

我们看声明一个学生类的结构体，代码如下：

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、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。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;

我们可以看到，上面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？在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？

p=&x;

答案是非法的。我们看到上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag），虽然他们的成员变量是一摸一样的，但是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、3 结构体自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？我们看如下代码：

//代码1
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

答案是不可以的。我们发现在计算结构体大小是，进入了死循环。正确的方式如下：

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

//注意

typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？


//解决方案：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

我们要注意的一点，上述中的第二种方式是不对的。真或缺的解决方案我们同样给出。

1、4 结构体变量的定义和初始化

有了结构体，就到了对结构体变量的定义和初始化。这个也是比较简单的。我们直接看代码：

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、5 结构体传参

我们先来看一段代码：

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 print1 和 print2 函数哪个好些？答案是：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。

二、结构体在内存中的存储方式

2、1 结构体在内存中的存储方式的引入

前面我们学过了整型和浮点型在内存中的存储方式（带你深度剖析《数据在内存中的存储），那么结构体呢？

我们先看两个例子，代码如下：

//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));

我们第一次看到两个结构体的大小感觉是一样大的，并且都为6个字节。那我们来看一下答案是这样的吗？

答案好像并非如此，到底是为什么呢？这就涉及到了结构体在内存中的存储方式了。也就是结构体的内存对齐。我们来详解以下内存对齐。

2、2 结构体的内存对齐

那么到底什么是内存对齐呢？内存对齐如何计算？首先得掌握结构体的对齐规则：

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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。
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。
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。

通过对结构体的对齐规则了解后，娜美我们就知道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。所以大小是不同的。

为什么存在内存对齐?大部分的参考资料都是如是说的：

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。
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。

2、3 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。代码如下：

#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()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
}

我们再看一下修改默认对齐数后的的结果。

还是有所不同的。当我们把默认对齐数修改为1后，相当与可以直接连续放在内存中。所以结构也就是哦我们最开始想的6了。

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。

三、结构体的位段

3、1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
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;
};

A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少呢？

结果好像再次出乎意料耶。这就与位段的内存分配有关了，接下来我们看一下位段的内存分配。

3、2 位段的内存分配

位段的内存分配如下：

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
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。
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。
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。

在使用位段时，我们也要注意以下几点：

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
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。
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。