结构体+内存对齐+实现位段
前言:
- 学习了数组后发现数组中的元素只能是相同类型的变量,那么有没有可以存放不同类型的变量呢?
- 结构体:一些值的集合,这些值称为成员变量,结构体的每个成员可以是不同类型的变量。
一.结构体
1.结构体的声明
c
struct tag
{
member-list;//结构体成员列表
}variable-list;//结构体变量列表
例如:描述一个人
c
struct Person {
int age;//年龄
char name[50];//姓名
float height;//身高
};//封号不能丢
2.结构体变量成员访问操作符
- 结构体变量.结构体成员名。
- 结构体指针变量->结构体成员名。
c
#include <stdio.h>
struct Person
{
int age;
char name[50];
float height;
}p1 = { 20,"zhangsan",185.5 }, * ps;//全局变量(*ps:结构体指针ps)
int main()
{
struct Person p2 = { 18,"lisi",173.2 };//局部变量
struct Person p3 = { 19,"wangwu",180.8 };//局部变量
ps = &p3;
printf("%d %s %.1f\n", p1.age, p1.name, p1.height);//结构体成员访问操作符:.
printf("%d %s %.1f\n", p2.age, p2.name, p2.height);
printf("%d %s %.1f\n", (*ps).age, (*ps).name, (*ps).height);
printf("%d %s %.1f\n", ps->age, ps->name, ps->height);//结构体成员访问操作符:->等价于先*再.
return 0;
}
3.结构体传参
- 传结构体。
- 传结构体的地址。
c
#include <stdio.h>
struct Person
{
int age;
char name[50];
float height;
};
void test1(struct Person p)//用结构体接收
{
printf("%d %s %.1f\n", p.age, p.name, p.height);
}
void test2(struct Person* p)//用结构体指针接收
{
printf("%d %s %.1f\n", p->age, p->name, p->height);
}
int main()
{
struct Person p1 = { 20,"zhangsan",185.5 };
test1(p1);//传结构体
test2(&p1);//传结构体的地址
return 0;
}
思考:我们发现二者都可以成功访问结构体成员,那二者有什么区别呢?
- 传递结构体时:其实函数内部创建了一个临时结构体变量存放传入的结构体,当结构体很大时会额外占用空间不划算。(本质上是值传递)。
- 传递结构体地址时:只需创建4个字节结构体指针变量,通过其来访问结构体成员,可以大大节省空间。(本质上是地址/指针传递)。
- 推荐传递结构体地址。
4.匿名结构体
c
//匿名结构体类型
struct//不完全声明,由于没有名字,无法在其之后创建变量
{
int age;
char name[50];
float height;
}s1, s2;//在结构体声明的时候直接创建变量,不能在其之后创建变量了,只能使用一次
int main()
{
struct s3;//error
}
- 当只需使用一次可以使用(在声明结构体时,直接创建变量,不能在其之后创建变量了)。
思考:以下代码行不行
c
struct
{
int age;
char name[50];
float height;
}s1;
struct
{
int age;
char name[50];
float height;
}*ps;
int main()
{
ps = &s1;//?
return 0;
}
- 答案:不行,看似一样,其实这两个结构体是不同类型的,只是成员变量相同的不同结构体类型,二者不兼容。(没有名字导致的问题)。
5.结构的自引用
比如:定义一个链表的节点
c
struct Node
{
int data;//存放数据
struct Node* next;//存放指针
};
二.结构体内存对齐
**注意:**面试时计算结构体的大小是一个热门的考点,一定要学会。
1.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。
偏移量:该成员变量的地址距离结构体地址的字节数(计算偏移量的函数:offsetof)。 - 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 = 编译器默认的对齐数与该成员变量大小的较小值。
在VS 中默认的对齐数值为 8 。
Linux中gcc编译器没有默认对齐数,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。
offsetof宏 :计算结构体成员相较于结构体变量起始位置的偏移量,头文件stddef.h
例如:计算结构体大小的代码。
c
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{
char c1;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
char c2;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
int n;//自身大小4,默认对齐数8,对齐数4
};
struct S2
{
char c1;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
int n;//自身大小4,默认对齐数8,对齐数4
char c2;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
};
int main()
{
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c1));//0
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c2));//1
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, n));//4
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//8
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c1));//0
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, n));//4
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c2));//8
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//12
return 0;
}
练习:
c
#include<stdio.h>
struct S1
{
double d;//自身大小8,默认对齐数8,对齐数8
char c;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
int i;//自身大小4,默认对齐数8,对齐数4
};
struct S2
{
char c1;//自身大小1,默认对齐数8,对齐数1
struct S1 s1;//自身大小16,默认对齐数8,对齐数8
//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(d的对齐数的整数倍处)》,
//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。
double d;//自身大小8,默认对齐数8,对齐数8
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//16
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//32
return 0;
}
2.为什么存在内存对齐?
- 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:
c
//例如:
#include<stdio.h>
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//8
//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。
return 0;
}
**总结:**让占用空间小的成员尽量集中在⼀起。
3.修改默认对齐数
- VS上默认对齐数为8。
- #pragma pack(一般为2^n) 这个预处理指令,可以改变编译器的默认对齐数。
- 例如#pragma pack(1),#pragma pack(2),#pragma pack(4)。
- #pragma pack() == #pragma pack(8)。
c
#include<stdio.h>
#pragma pack(1)//修改默认对齐数变成1
struct S
{
char c1;//自身大小1,默认对齐数1,对齐数1
int i;//自身大小4,默认对齐数1,对齐数1
char c2;//自身大小1,默认对齐数1,对齐数1
};
#pragma pack()//将默认对齐数修改为8
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S));//6
return 0;
}
三.结构体实现位段
- 结构体有实现位段的功能。
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 ,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。
- 位段中的位:二进制的位。
位段与结构体语法上的区别,代码如下:
c
#include<stdio.h>
struct A//结构体
{
int a;
int b;
int c;
int d;
};
struct B//结构体实现位段
{
int a : 2;//只给了两个比特位,意味着只能存放0,1,2,3,不能存放大于它们的值
int b : 5;//同理
int c : 10;
int d : 30;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct A));//16个字节
printf("%zd\n", sizeof(struct B));//8个字节
//发现位段较于结构体节省了空间
return 0;
}
- 总结:位段相较于结构体节省了空间。
2.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。
c
#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("%zd\n", sizeof(struct S));//3个字节
return 0;
}
1.给定了空间后,在空间的内部是从左向右使用,还是从右向左使用,这个是不确定的。
假设:从右向左使用。
2.当剩下的空间不足以存放下一个成员的时候,空间是浪费还是使用,这个是不确定的。
假设:浪费。
3.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(sizeof(int)==2),32位机器最大32(sizeof(int)==4),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:**跟结构体相比,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。
4.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。
- 在网络中发送数据的时候,需要进行数据的封装,例如:加上源地址与目的地址。(计算机网络中的网络层协议------> IP协议)。
- 为了避免网络拥堵,相办法节省空间,使用的就是位段。
5.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。
c
#include<stdio.h>
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
//这是错误的
struct A sa = { 0 };
scanf("%d", &sa._b);
//正确的示范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = b;
return 0;
}
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