C语言——自定义类型：结构体

前言

本篇博客位大家介绍C语言中一块儿重要的内容，那就是结构体，关于结构体的内容，大家需要深入掌握，在后面的学习中依然会用到，如果你对本文感兴趣，麻烦点进来的老铁一键三连。多多支持，下面我们进入正文部分。

1. 结构体类型的声明

1.1 什么是结构体

C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类 型还是不够的，假设我想描述学生，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不行的。

描述⼀个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等；

描述一本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问 题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型。

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，如： 标量、数组、指针，甚至是其他结构体。

上面为大家介绍了结构体的概念，大家需要进行理解；结构体就是用于一些比较复杂的对象，这也给了程序员一定的自由发挥的空间；

1.2 结构体的声明方法

关于结构体的声明方法其实挺简单的，大家来看下面的代码；

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 

这里大家可以看到，上面就是结构体的声明方法，这里要提醒大家一下，结尾的分号一定不能丢，否则程序将报错；

1.3 结构体的特殊声明

上面说了结构体的一般声明方法，然而还存在一类特殊的声明方法，大家请看下面的代码；

struct
{
	int a;
	char b;
	double c;

}s = { 10,'a',3.14 };
int main()
{
	printf("%d %c %lf", s.a, s.b, s.c);
	return 0;
}

这里大家可以发现，我将结构体的名字省略掉了，这种声明方法声明的结构体叫做匿名结构体；这种声明方法声明的结构体在创建变量的时候，必须和声明同时进行，不能单独拿出来进行创建；

这里建议大家不要去使用匿名结构体类型，这种写法是容易出现问题的；

2. 结构体变量的创建和初始化

2.1 结构体变量的定义/创建

//代码1：变量的定义 
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

大家可以看到，上面给出了两种创建方式，一种是在声明类型的同时进行定义；还有一种是单独进行定义；这两种方法都是正确的，大家根据自己的习惯进行选择。

2.2 结构体变量的初始化

//代码2:初始化。 
struct Point p3 = {10, 20};
struct Stu //类型声明
{
 char name[15];//名字 
 int age; //年龄 
};
struct Stu s1 = {"zhangsan", 20};//初始化 
struct Stu s2 = {.age=20, .name="lisi"};//指定顺序初始化

//代码3
#include<stdio.h>
struct s 
{
	int a;
	char b;
}; 
struct b
{
	struct s a;
	int* p;
	char arr[10];
	float sc;
};
int main()
{
	struct b c = { {10,'w'},NULL,"hehe",85.5f };
}

这里大家仔细观察上面的代码，在代码2中，展示了两种初始化的方法，一种是常规的初始化方法，按照声明时的顺序进行初始化；第二种初始化方法是按照指定顺序进行初始化，这里大家需要注意其写法，用到了"."操作符，这是结构体成员访问操作符，这个后面还会为大家介绍；

下面来说说代码3，前面说过，结构体的成员可以是不同类型的变量，这里当然就包括结构体了；那么大家来看代码3，这里大家可以看到，我声明了两个不同的结构体，并且用第一个结构体定义了一个变量将其放到第二个结构体中，当我对第二个变量进行初始化的时候，大家注意嵌套结构体初始化的方法，对于嵌套的结构体，我们需要使用{}进行初始化，这里希望大家可以根据上面的代码理解嵌套结构体初始化的方法。

3. 结构体成员访问操作符

3.1 结构体成员的直接访问

结构体成员的直接访问是通过点操作符（.）访问的；点操作符接受两个操作数；如下所示：

#include <stdio.h>
struct Point
{
 int x;
 int y;
}p = {1,2};
int main()
{
 printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y);
 return 0;
}

上面大家看到，使同方式：结构体变量.成员名，这就是对结构体成员直接访问的方法；

那么这里就有一个问题，如果是嵌套结构体呢？我们应该如何进行访问，大家来看下面的代码；

#include<stdio.h>
struct s 
{
	int a;
	char b;
}; 
struct b
{
	struct s a;
	int* p;
	char arr[10];
	float sc;
};
int main()
{
	struct b c = { {10,'w'},NULL,"hehe",85.5f };
	printf("%c\n", c.a.b);
}

大家注意在访问嵌套结构体的时候，我们是按照顺序依次访问的，大家可以通过上面的代码进行理解，相信大家可以掌握。

3.2 结构体成员的间接访问

有时候我们得到的不是⼀个结构体变量，而是得到了⼀个指向结构体的指针。如下所示：

#include <stdio.h>
struct Point
{
 int x;
 int y;
};
int main()
{
 struct Point p = {3, 4};
 struct Point *ptr = &p;
 ptr->x = 10;
 ptr->y = 20;
 printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);
 return 0;
}

这里大家注意，间接访问的方法：使用方式：结构体指针->成员名；

这里创建了一个结构体指针接受了我们创建了结构体变量p，我们将p的地址传给结构体指针，通过结构体指针来间接访问结构体的内容；这种访问方法大家也需要理解并且掌握。

4. 结构体的内存对齐

前面我们了解了结构体的基本内容，下面我们要讨论一个问题：计算结构体的大小；这就是我们接下来要说到的内容------结构体的内存对齐

4.1 对齐规则

首先为大家展示结构体的内存对齐规则，下面用一个例子来为大家解释；

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	struct S1 s;
	printf("%zd\n", sizeof(s));
}

大家来看这段代码，这里我想要求出代码中的结构体的大小，那么就需要遵循上面说的对齐规则；

大家仔细来看上面的图，右边的数字就是偏移量。根据第一条规则，第一个成员对齐到结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，如上图所示；

下面轮到第二个成员，这里大家要理解对齐数的概念，在VS里默认对齐数为8，而最终的对齐数是在默认对齐数和成员变量大小中取较小的那一个，比如这里的第二个成员，是int类型。大小为4字节，而VS默认值为8，所以结果就是4，也就是说第二个成员要对齐到4的整数倍的地址处，那么最近的就是从偏移量为4的地方开始存储，向后存4个字节；

第三个成员，和第二个同理，char类型的大小是1字节，VS默认值是8，所以对于第三个成员来说，对齐数就为1，那么第三个成员就需要对齐到1的整数倍的地址处，看一下图，就是偏移量为8的位置，在这里存储第三个成员，占1字节；

综上，可能有的同学就认为这个结构体的大小是9字节了，那么这里大家要注意第三条规则，结构体的总大小为最大对齐数的整数倍，那么在这个结构体中，第一个成员的对齐数为1，第二个成员的对齐数为4，第三个成员的对齐数为1，那么最大对齐数就为4了，所以整个结构体的大小就必须为4的整数倍，那么我们看图，占内存最小的就是12，那么这个结构体的大小就为12字节；

大家可以看到，上面是在VS2022环境下算出的结构体的大小，与我们上面的推理结果一致；希望大家可以通过这个例子理解对齐规则；

为了让大家更好地掌握对齐规则，下面有几道例题，大家一起来看一下；

​//例题1
#include<stdio.h>
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	struct S2 s;
	printf("%zd\n", sizeof(s));
}

​

大家来看一下这道题，和前面的分析方法一样，首先来对齐第一个成员，第一个成员是char类型，占1字节；

第二个成员，依然是char类型，VS默认值为8，char为1字节，所以其对齐数就是1，那么第二个成员将对齐到偏移量为1的地址处；

第三个成员，为int类型，大小4字节，VS默认值是8，所以其对齐数为4，那么第三个成员就需要对齐到4的整数倍的地址处，那么最近的就是偏移量为4的地址处，从那里往后占4字节；

综上，我们将三个成员都存进去了，下面我们要确定整个结构体的大小，很容易知道，最大对齐数为4，那么整个结构体的大小就必须为4的倍数，我们可以发现，前面我们刚好占用了8个字节，8又刚好是4的整数倍，所以整个结构体的大小就是8字节。

//例题2
#include<stdio.h>
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	struct S3 s;
	printf("%zd\n", sizeof(s));
}

这道题还是同样的分析方法；

首先来看第一个成员，double类型，我们知道它占8字节；

第二个成员，char类型，大小为1字节，默认值是8，那么其对齐数就是1，那么第二个成员就要对齐在1的整数倍的地址处，前面已经存过了第一个成员，那么第二个成员就可以放在偏移量为8的地址处；

第三个成员，int类型，大小4字节，默认值为8，其对齐数就为4，那么就应该对齐在偏移量为12的地址处，占4字节；

那么最终大家可以发现，我们一共占用了16个字节，我们知道最大对齐数为8，那么16是8的整数倍，所以这个结构体的大小就为16字节。

//例题3
#include<stdio.h>
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	struct S4 s;
	printf("%zd\n", sizeof(s));
}

这道题大家要注意它和前两道是不一样的，它出现了嵌套结构体的情况，那么这个时候大家就要注意上面对齐规则中的第四条规则了；

第一个成员，char类型。大小1字节，直接存到起始位置；

第二个成员，这是一个结构体，那么第四条规则告诉我们：结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，那么从例题2我们知道，S3结构体中最大对齐数是8，所以S3必须对齐到8的整数倍的地址处，在这里就需要对齐到偏移量为8的地址处，占16字节；

第三个成员，double类型，大小8字节，VS默认值为8，所以其对齐数为8，那么成员三就需要对齐到8的整数倍的地址处，大家自己画图会发现，就是偏移量为24的地址处，占8字节；

综上，我们一共占用了32个字节，那么整个结构体的大小是多少呢？再来看一下第四条规则，整个结构体的大小必须为所有最大对齐数的整数倍，那么我们知道，在S4结构体中，最大的对齐数为8，所以整个S4结构体的大小就要为8的整数倍，刚才说一共占用了32字节，32刚好是8的整数倍，那么S4结构体的大小就是32字节。

OK，上面我们讨论了几道关于结构体内存对齐的例题，希望大家通过这些例题能够更好地掌握内存对齐的规则；

不知道大家是否注意到，在内存对齐的过程中，其实造成了空间的浪费，那么我们为什么还要遵循内存对齐规则呢？下面我们继续来讨论为什么会有内存对齐？

4.2 为什么存在内存对齐

4.2.1 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。

4.2.2 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

那么，我们有没有一种方式，既满足对齐，又能节省空间呢？

大家来看下面的代码；

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

大家观察这段代码，并且取计算一下这两个结构体的大小；

这里大家发现，两个结构体虽然成员一样，但是最终大小却不一样；这里大家就要注意一点，在创建结构体的过程中，我们要让占有空间小的成员尽量集中在一起， 这样我们就可以在满足对齐的情况下尽量节省空间。

4.3 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齐数。

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。

5. 结构体传参

#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;
}

大家看看上面的代码，一个是传结构体本身；还有一个是传结构体的地址；那么哪种方式更好呢？答案是print2;

为什么呢？

结论： 结构体传参的时候，要传结构体的地址。

6.结构体实现位段

6.1 位段的概念

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 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。

2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

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

大家可以发现，位段是专门用来节省内存的；

这里还有一个问题，位段A的大小的多少呢？

大家可以自己去测试一下，相信很多同学的第一反应是6（因为有一共47个bit）；

大家发现，这个结果并不是6，那这是什么原因呢？咱们继续看下面的内容；

6.2 位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型

2. 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。

3. 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

这里给大家举个例子，咱们来看下面的代码；

#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", sizeof(s));
	return 0;
}

这里大家可以思考一下结果；​​​​​​​

大家仔细看上面这张图，它描述了位段申请空间的过程；这里大家注意，每一个小格子代表一个bit；

这里一次开辟一个字节(8bit)，在VS 中，在一个字节内部空间是从右向左进行使用的；那么剩余的空间是继续使用，还是浪费掉呢？在VS中，答案是浪费掉。最终我们可以发现，一共申请了3个字节的空间。

每个方块儿中存放的是对应数据的二进制，由于空间有限，所以数据并不能完整地存放到空间中，就会发生截断的现象；所以最终我们通过调试就可以看见位段s中的数据；

大家注意这里是十六进制的形式进行表示的；OK，到这里，关于位段内存分配的内容就为大家介绍完了；

6.3 位段的跨平台问题

1. int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

6.4 位段的应用

这里的内容大家作了解即可，在这里不需要深入研究，后面在学习网络的相关知识的时候，

6.5 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。

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;
}

大家看一下上面的一段代码，我们是不能对位段的成员进行取地址操作的。

7. 总结

本篇文章为大家介绍了结构体的相关内容，结构体在C语言中也是一种重要的自定义类型，在后面的学习中大家会经常使用，所以本篇内容，建议大家认真阅读，注意其中的细节，掌握结构体的使用方法以及关于结构体的对齐规则；最后，希望本篇博客可以为大家带来帮助，谢谢！