C/C++语言基础--结构体知识详解(包括：结构体数组、字节对齐、位段等内容）

本专栏目的

• 更新C/C++的基础语法，包括C++的一些新特性

前言

• C语言地结构体是核心内容之一，他运行自定义数据类型，可以将不同地数据类型当作成一个整体，变成一个数据类型，运用及其广泛
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文章目录

• 结构体
• • 结构体是什么？
  • 结构体的申明
  • 结构体变量定义
  • 结构体变量初始化
  • 结构体变量的使用
  • 结构体嵌套
  • 结构体数组
  • 结构体字节对齐
  • • 什么是字节对齐？
    • 为什么要字节对齐？
    • 字节对齐规则
  • 位段(位域)
  • • 位段是什么？
    • 注意事项

结构体

结构体是什么？

在前面我们学习过基础的数据类型int float char 等，都只能用来表示基础的数据类型，那么要怎么来表示复杂的数据类型呢？

比如学生信息：

学号	姓名	性别	年龄	总分数
100	maye	男	18	666
101	椰汁	女	19	555

定义5个数组，然后每个数组的长度都一致是否可行？

int ids[N]={0};
char names[N][10]={0};
char sexs[N][3]={0};
int ages[N]={0};
int scores[N]={0};

看起来还不错，在没有学习结构体之前这样还是不错的，但是，学了结构体后，就会发现简单很多。

**数组：**可存储相同数据类型的变量。

结构体：用户自定义 的数据类型，它允许存储不同类型的数据项(数据项被称为"成员")，C语言因为有了结构体，所以C语言可以模拟面向对象的思想去写代码。

结构体的申明

为了定义结构体，您必须使用 struct 语句。struct 语句定义了一个包含多个成员的新的数据类型，struct 语句的格式如下：

struct tag
{
    member1;
    member2;
    member3;
    ...
};

• tag 是结构体标签；
• member 是标准的变量定义，比如int i;char c;或者其他有效的变量定义。
• 多个成员之间用分号分隔 (不允许0成员结构体的定义)
• 末尾的分号不可缺少。

那么对于上面的学生的信息，就可以用如下结构体表示学生结构体类型：

struct Student	//学生结构体类型
{
    int id;			//学号
    char name[10];	//姓名
    char sex;		//性别
    int age;		//年龄
    int score;		//总分
}

在C语言中结构体相当于是用户自定义 的数据类型，是一组变量的集合，是一种封装 的思想，而在C++、java等编程语言中，在结构体的思想上进行扩展延申，产生了类 ，类不仅是一组变量的集合，也是一组自定义API接口的集合，后面等我们介绍C++、python、java等语言的时候可以反过来看。

结构体变量定义

结构体类型已经声明，如何使用结构体类型定义结构体变量呢？有三种方法：

1. 先声明结构体类型再定义结构体变量

struct Student maye;

2. 在声明结构体类型的同时定义变量

struct Student
{
    ...
}maye;

3. typedef取别名之后再定义变量

typedef struct Student
{    
    ...
}Student;	//加了typedef之后，这里的Student就是struct Student 的别名了
Student maye;

• 通过第一种方法定义结构体变量时，struct关键字不能省略。

结构体变量初始化

在定义结构体变量的同时通过{}的方式为每一个成员变量进行赋初值

• 全部初始化

struct Student maye = {100,"maye",1,18,666};

• 部分初始化：未初始化部分自动初始化为0

struct Student maye = {100};

• 全部初始化为0

struct Student maye = {0};

• 初始化指定的成员(可以初始化任意成员，不必遵循定义顺序)

struct Student maye = {.id = 100,.age = 18};

• 用另一个结构体变量初始化:

struct Student zc = maye;
zc = (struct Student){200，"zc"};

• 和数组初始化一样，只能从左边开始逐个初始化，不能跳过
• 初始化时，类型及顺序要一一对应

结构体变量的使用

要通过结构体变量访问成员，就需要用到成员访问运算符(. 或 ->)~

• 普通结构体变量访问成员使用 .

struct Student hero = {007,"007特工"};
puts(hero.name);

• 通过结构体指针访问成员使用 ->

struct Student *ph = &hero;
(*ph).name;  等价于：ph->name;

结构体嵌套

在一个结构体内包含另一个结构体作为其成员，有两种写法。

比如，给学生增加一个出生日期，包含年月日.

1. 先定义好结构体，然后在另一个结构体中定义结构体变量

struct Date
{
    short year;
    short month;
    short day;
};

struct Student
{
    int id;
    char name[10];
    struct Date birth;	//出生日期
};

2. 直接把结构体定义在另一个结构体内。

struct Student
{
    int id;
    char name[10];
    struct Date
	{
    	short year;
    	short month;
    	short day;
	}birth;//出生日期
};

• 当出现结构体嵌套时，必须以级联方式 访问结构体成员，即通过成员访问运算符逐级找到最底层的成员。

struct Student maye;
maye.birth.year = 2022;
maye.birth.month = 2;
maye.birth.day = 9;

struct Student zc = {2000,"顽石",{2021,5,14}};

结构体数组

一个结构体变量可以存放一个学生的一组信息，可是如果有 10 个学生呢？难道要定义 10 个结构体变量吗？难道上面的程序要复制和粘贴 10 次吗？

很明显不可能，这时就要使用数组 ，因为数组就是一组相同数据类型的集合，而结构体也是一种数据类型，结构体中也有数组，称为结构体数组，定义如下：

struct Student stus[10];

这就定义了一个结构体数组，共有 10 个元素，每个元素都是一个结构体变量，都包含所有的结构体成员。

下面编写一个程序：

编程要求：从键盘输入 5 个学生的基本信息，如学号、姓名、年龄、性别，然后将年龄最大的学生的基本信息输出到屏幕。

#include <stdio.h>

struct Student
{
    int id;
    char name[10];
    int age;
    char sex;
};
/*
1001 小红 22 F
1002 小明 21 M
1003 小欣 23 F
1004 小天 20 F
1005 小黑 19 M
*/

int main()
{
    struct Student stus[10];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("input %d stu>",i+1);
        scanf("%d %s %d %c",&stus[i].id,stus[i].name,&stus[i].age,&stus[i].sex);
    }

    struct Student maxStu = stus[0];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (maxStu.age < stus[i].age)
        {
            maxStu = stus[i];
        }         
    }
    printf("%d %s %d %c\n", maxStu.id,maxStu.name, maxStu.age, maxStu.sex);

    return 0;
}

输出：

1001 小红 22 F
1002 小明 21 M
1003 小欣 23 F
1004 小天 20 F
1005 小黑 19 M
1003 小欣 23 F

另外一种方式：

结构体数组也是能够初始化的，如下：

int main()
{
    struct Student stus[10] = {{1001, "小红", 22, 'F'},{1002,"小明" ,21,' M'},{1003,"小欣" ,23, 'F'},{1004, "小天", 20, 'F'},{1005, "小黑", 19, 'M'}};

    struct Student maxStu = stus[0];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        if (maxStu.age < stus[i].age)
        {
            maxStu = stus[i];
        }         
    }
    printf("%d %s %d %c\n", maxStu.id,maxStu.name, maxStu.age, maxStu.sex);

    return 0;
}

结构体字节对齐

每种类型在定义对象时，都会开辟内存，类型不同所占内存大小也不一样，用sizeof即可获取类型大小。

思考：结构体占用的内存大小是多少呢？

• 是成员所占内存的总和吗？
• 还是有其他的处理方式？

先来看几个例子吧：

#include<stdio.h>

struct Node
{
    int a;
    int b;
};

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(struct Node));
    return 0;
}

struct Node
{
    int a;
    int b;
};	
输出：
8

这个结构体大小为8个字节，看起来是成员大小的总和，实际上这只是个巧合：当成员类型全部一样时，结构体大小就等于每个成员大小之和。

struct Node1
{
    int a;
    char b;
};	
输出：
8

这个结构体大小还是8个字节，为什么？

再来看：

struct Node1
{
    int a;
    char b;
    char c;
    char d;
    char e;
};	
输出：
8

这个还是8，为什么呢？

这实际上是编译器对结构体的空间进行了优化，就是所谓的字节对齐 ，核心就是对此思想

什么是字节对齐？

从理论上讲，对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问，但是事实上不是如此，实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问，这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列，而不是简单地顺序排列，这就是内存对齐。

为什么要字节对齐？

原因：

• 兼容平台：某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据；
• 提高存取数据的速度：比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据，对于一个int型的变量，若从偶地址单元处存放，则只需一个读取周期即可读取该变量；但是若从奇地址单元处存放，则需要2个读取周期读取该变量。

字节对齐规则

C语言标准并没有规定内存对齐的细节，而是交给具体的编译器 去实现，但是对齐的基本原则是一样的，核心思想对称思想。

• 结构体变量的首地址能够被其最宽基本类型成员的大小所整除；
• 结构体每个成员相对于结构体首地址的偏移量都是成员大小的整数倍，如有需要编译器会在成员之间加上填充字节；
• 结构体的总大小为结构体最宽基本类型成员大小的整数倍，如有需要编译器会在最末一个成员之后加上填充字节。

位段(位域)

位段是什么？

C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为位段。说白了就是自己指定储存大小，因为储存字节对其，可能会浪费资源，利用位段能够用较少的位数存储数据。

语法：

struct 结构体名
{
  	  整数类型 位段名1 : 位段大小;
      整数类型 位段名2 : 位段大小;
      整数类型 位段名3 : 位段大小;
      整数类型 位段名4 : 位段大小;
      ...
};

• 整数类型：C语言标准规定，只有有限的几种数据类型可以用于位段。(所有整数类型以及char类型和_Bool类型)。
• 位段名：即有效的标识符
• 位段大小：此位段所占的位数，不能超过类型的最大位数。

范例：

struct BitField
{
    unsigned char a:1;
    unsigned char b:4;
    unsigned char c:3;
};
int main()
{
    //初始化
    struct BitField bit={1,2,3};
    //输出
    printf("first:%d %d %d\n",bit.a,bit.b,bit.c);
    //赋值
    bit.a = 2;
    bit.b = 20;
    bit.c = 8;
    //再次输出
    printf("last:%d %d %d\n",bit.a,bit.b,bit.c);
}

运行结果：

fast:1 2 3
last:0 4 0

第一次的输出结果都是完整的，第二次输出的结果令人摸不着头脑。

• **第一次输出时：**a、b、c的值分别为1、2、3，转换成二进制分别是0b1、0b10、0b11，都没有超出限定的位数，能正常输出。
• 第二次输出时：a、b、c的值分别为2、20、8，转换成二进制分别是0b10、0b10100、0b1000，所有位段都超出了限定的位数，不能正常输出 。
  • 超出部分被直接截去 (从高位开始截断，即从左往右)，截去之后的二进制分别为0b0、0b0100、0b000，换算成十进制分别为0、4、0

注意事项

1、位段的内存分配：位段占的二进制位数不能超过该基本类型所能表示的最大位数，如char是占1个字节，那么最多只能是8位；

struct Bit
{
  	char a:3;	//right
	char b:9;	//error C2034: "d": 位域类型对位数太小
};

2、**位域的存储：**C语言标准并没有规定位域的具体存储方式，不同的编译器有不同的实现，但它们都尽量压缩存储空间。

当相邻成员的类型相同时，如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小 ，那么后面的成员紧邻前一个成员存储，直到不能容纳为止；如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员将从新的存储单元开始，其偏移量为类型大小的整数倍。

struct Bf1
{
    char a:3:
    char b:3;
};
//sizeof(struct Bf1) == 1

struct Bf2
{
    char a:3:
    char b:3;
    char c:3;
};
//sizeof(struct Bf2) == 2

3、禁止对位段取地址：地址是字节（Byte）的编号，而不是位（Bit）的编号。

&bit.a;		//error C2104: 位域上的"&"被忽略

4、无名位段：位域成员可以没有名称，只给出数据类型和位宽

struct Bf
{
    int a:12;
    int :20;
    int b:4;
};

无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称，无名位域不能使用。

上面的例子中，如果没有位宽为 20 的无名成员，a、b 将会挨着存储，sizeof(struct Bf) 的结果为 4；有了这 20 位作为填充，a、b 将分开存储，sizeof(struct Bf) 的结果为 8。