结构体详解 - 技术栈

Hello, 大家好，我是一代，今天给大家带来有关结构体的知识

所属专栏：C语言

创作不易，望得到各位佬们的互三呦

一.结构体类型的声明

1.结构的声明

结构体的声明可以对一个对象的描述进行描述，比如学生的属性有名字，年龄，性别，学号等

如描述一个学生

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

2. 结构体变量的创建和初始化

如果我们想要对一个结构体进行初始化，可以按照结构体成员的顺序初始化，也按照指定的顺序初始化。

#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;
}

3.结构的特殊声明

匿名结构体：在声明结构的时候，不完全的声明。

比如：

struct

{

char name[20];//名字

int age;//年龄

char sex[5];//性别

char id[20];//学号

};

注意：匿名结构体创建结构体变量是只能在结构体声明时在分号前进行创建，因为其没有类型名，在主函数中初始化找不到这个结构体。

如

struct

{

char name[20];//名字

int age;//年龄

}s;

#include<stdio.h>

int main()

{

s.age = 10;

printf("%d", s.age);

}

这里有一段有趣的代码

struct
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
}s;
struct
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
}*p;

那我们就可以思考一个问题，p=&a这个代码合法吗？

其时这是不合法的。

原因：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。

编译器会报警告

注意：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。

4.结构的自引用

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

上述代码是否是正确的呢？

上述代码是错误的结构体自引用的方式，在结构体中包含结构体，就会无限套娃，导致结构体的大小无限大。

那么正确的自引用方式是什么呢？

当我们学到链表的时候就会发现链表的结构体运用了结构体的自引用

如

struct Node

{

int data;

struct Node* next;

};

其为正确的自引用

我们经常会在结构体的自引用的过程中，用typedef对结构体进行重命名，但也容易产生一些问题

如

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

上述代码就是典型的例子，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。

二.结构体内存对齐

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 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员自身的大小

结构体总大小为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍。

如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬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。

了解了结构体的内存对齐，下面我们来写几个题目把。

练习1：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

c1为char类型占一个字节，c1对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，

int占4个字节，vs默认对齐数为8，对齐数=编译器默认对齐数与成员变量大小的较小值，对齐数为4，对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处，及与起始位置偏移量为4的位置开始对齐，然后向后偏移4个字节，到与起始位置偏移量为7的位置

c2为char类型占一个字节，偏移量为8的位置为起始位置

一共就9个字节，但是由于结构体总大小为最大对齐数（构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍，所以还要浪费3个字节，到与起始位置偏移量位11的位置。

图例：

练习2：

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

c1为char类型占一个字节，c1对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，

c2为char类型占一个字节，对齐数为1，偏移量为1的位置为起始位置

int占4个字节，vs默认对齐数为8，对齐数=编译器默认对齐数与成员变量大小的较小值

，对齐数为4，对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处，及与起始位置偏移量为4的位置开始对齐，然后向后偏移4个字节，到与起始位置偏移量为7的位置

一共就8个字节，结构体总大小为最大对齐数（构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍，不需要浪费字节

图例：

练习3：

struct S1
{
	double d;
	char c2;
	int i;
};
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

d为double类型占8个字节，d对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，向后偏移8个字节，到与起始位置偏移量为7的位置

c2为char类型占一个字节，对齐数为1，偏移量为8的位置为起始位置

int占4个字节，对齐数为4，由于要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处，及与起始位置偏移量为12的位置开始对齐，然后向后偏移4个字节，到与起始位置偏移量为15的位置。

一共就16个字节，结构体总大小为最大对齐数（构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍，不需要浪费字节

图例：

练习4：

struct S3
{
	double d;
	char c2;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

c1为char类型占一个字节，c1对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，

有练习三可得结构体s3的字节数为16，又因为如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，s3中成员最大对齐数为8，所以c从偏移量为8的位置开始对齐，到偏移量为23，

d的类型为double，字节占8个，对齐数为8，从偏移量为24的位置开始对齐，到偏移量为31的位置

总共为32个字节，有s4的大小为所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍

就为8，32为8的倍数，所以结构体字节大小为32个字节

为什么存在内存对齐呢？

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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

那么在设计结构体时既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到呢？

我们就可以让占用空间小的成员尽量集中在一起

如：

struct S3
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

如：

#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()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

其修改默认对齐数为一，char占一个字节，int 占4个字节，总共占6个字节。

结构体传参

在进行结构体传参时，要传结构体地址。

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。

如：

#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;
}

这里print2就比print1函数好一些，因为print2传的是结构体的地址。

三. 结构体实现位段

什么是位段呢？

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。

如：

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

我们对位端有了初步的了解，那么结构体A的内存分配是怎样的呢？

这就要涉及到位段的内存分配了。

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。

下面我们来举一个例子：

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	printf("%d", sizeof(struct S));
}

那么其在内存中存储是怎样的呢？

下面我就以在vs中的内存分配为栗子

以上为以上结构体在vs中内存分配空间，通过调试我们也能得到其在内存中所占空间。

位段的跨平台问题

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。

位段的注意事项

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。
如：