【C语言】结构体（及位段）

爱摸鱼的孔乙己2024-07-14 16:35

你好！感谢支持孔乙己的新作，本文就结构体与大家分析我的思路。

希望能大佬们多多纠正及支持 ！！！

个人主页：爱摸鱼的孔乙己-CSDN博客 欢迎 互粉哦🙈🙈！

目录

[1. 声明结构体](#1. 声明结构体)

[1.1. 结构体的声明](#1.1. 结构体的声明)

[1.2. 结构体变量的创建与初始化](#1.2. 结构体变量的创建与初始化)

[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. 结构体内存对齐](#2. 结构体内存对齐)

[2.1. 对齐规则](#2.1. 对齐规则)

[2.1.1. 常规内存对齐](#2.1.1. 常规内存对齐)

[2.1.2. 嵌套结构体内存对齐](#2.1.2. 嵌套结构体内存对齐)

[2.2. 为什么存在结构体对齐](#2.2. 为什么存在结构体对齐)

[2.2.1. 平台原因（移植原因）](#2.2.1. 平台原因（移植原因）)

[2.2.2. 性能原因](#2.2.2. 性能原因)

[2.2.3. 改善方法](#2.2.3. 改善方法)

[2.3. 修改默认对齐数](#2.3. 修改默认对齐数)

[3. 结构体实现传参](#3. 结构体实现传参)

[4 . 位段](#4 . 位段)

[4.1. 什么是位段](#4.1. 什么是位段)

[4.2. 位段的内存分配](#4.2. 位段的内存分配)

[4.3. 位段的跨平台问题](#4.3. 位段的跨平台问题)

[4.4. 位段的应用](#4.4. 位段的应用)

[4.5. 位段注意事项](#4.5. 位段注意事项)

1. 声明结构体

Leading ~~ 结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，它可以包含多个不同数据类型的成员变量，这些成员变量可以根据需要进行组合，形成一个新的数据类型。结构体可以用来表示现实世界中的复杂数据结构，比如表示一个学生或者一辆车的信息等。

1.1. 结构体的声明

结构体是⼀些值的集合，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。

例如，描述一个学生的信息：

cpp 复制代码 
struct student  
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[9];//性别
	char number[20];//学号

};

其中，包含学生的姓名、年龄、性别、学号这些字符数组，整形数据等等不同数据类型的成员变量。

1.2. 结构体变量的创建与初始化

创建结构体变量，对其进行初始化，可以依次进行赋值（输入数据），也可以使用**" . +成员变量名 "**来指定顺序赋值（输入数据 ）。

cpp 复制代码 
#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;
}

1.3. 结构体的特殊声明

在声明结构体的时候，可以不完全的声明。当然，这样声明的结构体只能在创建的时候对其 进行赋值（输入数据）。

cpp 复制代码 
//创建匿名结构体变量
struct {
	char name[20];
	int age;
	double height;
} S = { "李四", 23, 1.82 };

**如果要再次使用，必须要对结构体类型重命名（使用typedef对其重命名），**如下：

cpp 复制代码 
//对匿名结构体重命名
typedef struct Stu 
{
	char name[20];
	int age;
	double height;
}Stu;

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？ ⽐如，定义⼀个链表的节点，如下：

cpp 复制代码 
struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};

究其根本，其实是行不通的，毕竟在一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量 ，内存就会 变得无穷大，我们可以采取指针的方式进行自引用，如下：

cpp 复制代码 
struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
};

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， 看看下面的代码，可⾏吗？

cpp 复制代码 
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 复制代码 
typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
} Node;

2. 结构体内存对齐

2.1. 对齐规则

首先，我们来了解一下结构体内存对齐规则，如下：

|---------------------------------------------------------|
| 1. 结构体的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。 |
| 2. 其他成员变量要对齐到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 |
| * Visual Stdio 2022中默认值为8（字节） |
| * Linux中gcc没有对齐数，因此对齐数就是成员自身的大小 |
| 3. 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。 |
| 4. 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。 |

我们通过一些例题具体分析结构体对齐的场景，如下：

2.1.1. 常规内存对齐

cpp 复制代码 
struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

在s1结构体中，有char类型的c1，int类型的i以及char类型的c2，如果仅仅从类型字节大小来说，这里应该占用1+4+1=6（字节），但由于结构体中存在内存对齐，结果却是12（字节）。

究其原因， 我们分析一下这些变量在内存中的排布情况：

首先，结构体的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 ,所以我们将char （绿色区块）放在起始位置偏移量为0的地址。对于int i （占用4个字节）要对齐到对齐数的整数倍（VS中默认对齐数是8，int是4，因此对齐数取4）的地址处，也就是偏移量为4的地址处，因此前3个字节将会被浪费。紧接着char c2（黄色区块） 默认对齐数是1，又根据" 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"，也就是4的整数倍（12），因此也会损耗3个字节空间。

2.1.2. 嵌套结构体内存对齐

根据上述结果推算出struct S3在内存中占用16个字节，将其嵌套在struct S4中结果会是多少呢

cpp 复制代码 
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main() {
	//printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

这里我们就要注意对齐的最后一条规则：

|-------------------------------------------------|
| 4. 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。 |

从上述源码中，不难看出嵌套结构体成员（struct S3）的最大对齐数就是8，以及S4中最大对齐数也是8，因此结构体（struct S4）的大小就8的整数倍，从内存排列情况如下：

结果，无疑就是占用32个字节 ！ ！！

2.2. 为什么存在结构体对齐

2.2.1. 平台原因（移植原因）

毕竟，不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，对于某些硬件平台只能在某些地址处取某些特特定类型的数据，否则会发生硬件异常。

2.2.2. 性能原因

数据结构（尤其是栈）应该尽可能在自然边界对齐。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；而对齐的内存仅需要一次访问。假如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。假如我们能保证所有的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。

2.2.3. 改善方法

我们在设计结构体的时候，我们既需要满足对齐，又要节省空间，因此，我们可以在创建结构体的时候，让占用空间小的成员集中在一起，如下：

cpp 复制代码 
struct S1
{
	char c;
	int i;
	char b;
};
cpp 复制代码 
struct S1
{
	char b;
	char c;
	int i;
};

在这两组数据中，我们可以发现，他们的成员变量是一致的，但由于在创建时先后顺序不一致，致使他们在内存中存储情况不相同。

2.3. 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⻬数。

cpp 复制代码 
#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;
}

3. 结构体实现传参

我们在传入参数的时候，有两种形式，一种是"传值输入"，另一种是"传址输入"。

cpp 复制代码 
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(const struct S* ps)
{
 printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
 print1(s); //传结构体
 print2(&s); //传地址
 return 0;
}

通过实践说明 ，print2相对于print1，会更加优越，原因如下：

|--------------------------------------|
| 1. 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 |
| 2 . 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 |

总而言之， 结构体传参的时候，我们要传递结构体的地址。

4 . 位段

4.1. 什么是位段

我们可以定义一个结构体中的字段使用的位数(bit位)。这样可以在存储数据时更加灵活和节省空间。接着我们分析一下位段与结构体的一些差异，如下：

|----------------------------------------------------------------------|
| 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 |

cpp 复制代码 
struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

4.2. 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。 |

cpp 复制代码 
#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(struct S ));
	return 0;
}

相对比结构体而言，位段有效地节省了空间大小 ,接下来，我们观察位段在内存中的具体情况

4.3. 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位机器上最大32） |
| 3 . 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是反之，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，无法容纳第一个位段剩余的位时 |
| 是选择舍弃还是继续利用，也是不确定的 |

4.4. 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。

4.5. 位段注意事项

因为位段中的成员变量有可能在同一个字节上，因此有些成员的起始地址并不是某个字节的地址，那么这些位置其实就是没有地址的，再者说，内存中每个字节分配一个地址，故而一个字节内部的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，只能是先⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

cpp 复制代码 
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;
}
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