目录
[1.1 结构体的声明](#1.1 结构体的声明)
[1.2 结构体变量的创建和初始化](#1.2 结构体变量的创建和初始化)
[1.3 结构体的特殊声明](#1.3 结构体的特殊声明)
[1.4 结构体的自引用](#1.4 结构体的自引用)
[2.1 对齐规则](#2.1 对齐规则)
[2.2 内存对齐的原因](#2.2 内存对齐的原因)
[2.3 修改默认对齐数](#2.3 修改默认对齐数)
[2.4 结构体传参](#2.4 结构体传参)
[3.1 位段的内存分配](#3.1 位段的内存分配)
[3.2 段的跨平台问题](#3.2 段的跨平台问题)
[3.3 位段的应用](#3.3 位段的应用)
[3.4 位段使用的注意事项](#3.4 位段使用的注意事项)
前言
C语言中通常分为内置类型，和自定义类型，今天我们来了解一下自定义类型中结构体的内容。
一、 结构体类型
1.1 结构体的声明
结构体是我们自定义的数据类型，可以存放不同的数据类型。语法定义：
cpp
struct tag
{
member-list; //结构体成员
}variable-list;//结构体变量例如描述一个学生：
cpp
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Stu为结构体名，其中的name[20]，age，sex，id均为结构体的成员。
结构体变量有三种方式声明：
cpp
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
} s1; //初始化声明
struct Stu s2；//全局声明
int main(){
struct Stu s3;//局部声明
}1.2 结构体变量的创建和初始化
cpp
#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;
}
访问结构体成员的有两种方法：
cpp
结构体变量.结构体成员//直接访问
结构体指针->结构体成员//间接访问1.3 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：
cpp
//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）。
cpp
//在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？
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 。
1.4 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，定义⼀个链表的节点：
cpp
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};上面的定义是否可行呢？其实是不行的，因为当结构体包含⼀个类型为该结构本⾝的成员时，结构体大小sizeof(struct Node)就会无限大，因为不断的嵌套了一个又一个的结构体。
正确的自引用方式：
cpp
struct Node
{
int data;
struct Node * next;
};我们把存放下一个结构体本身换成了存放地址，地址的大小是可以计算的。
在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引入问题，看
下面的代码，可行吗？
cpp
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。
解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体了
cpp
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;二、结构体的对齐
我们已经了解了结构体的基本使用了，那结构体的大小如何计算呢，现在我们就要讲一讲结构体内存对齐，来计算结构体的大小。
2.1 对齐规则
⾸先得掌握结构体的 对齐规则 ：
- 结构体的 第⼀个成员 对齐到和结构体变量起始位置 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变量大小的 较小值 。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自⾝的⼤小
- 结构体总大小为 最大对齐数 （结构体中每个成员变量都有⼀个对齐数，所有对齐数中最大的）的
整数倍 。 - 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（ 含嵌套结构体中成员的对齐数 ）的整数倍。
让我们来看看下面这些例子：
cpp
//练习1
struct S1
{ //变量大小 默认对齐数 对齐数
char c1; // 1 8 1
int i; // 4 8 4
char c2; // 1 8 1
};
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));第一个char对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
第二个int对齐数为4，因为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，所以对齐到4，大小为4个字节。
第三个char对齐数为1，对齐到9。
结构体大小为最大对齐数4的整数倍，就是12。
上图右边数字为偏移量，x为被浪费的内存。
cpp
//练习2
struct S2
{ //变量大小 默认对齐数 对齐数
char c1; // 1 8 1
char c2; // 1 8 1
int i； // 4 8 4
};
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));跟练习1类似，只不过顺序不一样。
此时结构体大小为最大对齐数4的整数倍8。
cpp
//练习3
struct S3
{ //变量大小 默认对齐数 对齐数
double d; // 8 8 8
char c; // 1 8 1
int i； // 4 8 4
};
printf("%zd\n", sizeof(struct S3));第一个double类型结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
char类型就为偏移量8，int要整数倍所以从12开始，到16，刚好是最大偏移量的2倍，所以结构体大小为16。
cpp
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{ //变量大小 默认对齐数 对齐数
char c1; // 1 8 1
struct S3 s3; // 8 8 8
double d;// 8 8 8
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));嵌套结构体的对齐数为结构体成员的最大对齐数。所以结构体大小为8的4倍为32。
练习输出结果如下：
2.2 内存对齐的原因
- 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 。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。
所以在设计结构体时我们要做到既要满足，又要节省空间，该怎么做呢？
让占用空间小的成员尽量集中在⼀起
cpp
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。
S1的大小为12，S2的大小为8，S2比S1更加节省空间。
2.3 修改默认对齐数
在VS 中默认对齐数为8，我们也可以进行修改
cpp
#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()
{
//输出的结果为6
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}我们通过#pragma 这个预处理指令，在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。
2.4 结构体传参
cpp
#include<stdio.h>
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;
}上面两种传参方式，哪一种更好
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。
三、结构体实现位段
现在我们来了解一下结构体实现位端
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 ，在C99中位段成员的类型也可以
选择其他类型。 - 位段的成员名后边有⼀个 冒号 和⼀个 数字 。
比如：
cpp
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所占内存的大小是多少？
为什么会是8呢，那让我们来了解一下位端的内存分配吧。
3.1 位段的内存分配
- 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
- 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。
cpp
//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;位段在空间中的开辟如下：
3.2 段的跨平台问题
- 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。
总结：
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。
3.3 位段的应用
下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的。
3.4 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。
cpp
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;
}总结
上述文章讲了C语言中结构体类型，讲了结构体的对齐，结构体实现位段。希望对你有所帮助。