结构体（C 语言）

一、什么是结构体？
二、结构体变量的创建和初始化
- [1. C99 指定初始化](#1. C99 指定初始化)
- [2. 结构体最好不要使用部分初始化](#2. 结构体最好不要使用部分初始化)
- [3. 结构体不能自己包含自己](#3. 结构体不能自己包含自己)
- [4. 使用 typedef 简化结构体类型](#4. 使用 typedef 简化结构体类型)
- [5. 匿名结构体](#5. 匿名结构体)
三、结构体变量的使用和传参
- [1. 结构体传参的两种方式](#1. 结构体传参的两种方式)
四、结构体内存对齐
- [1. 内存对齐的规则](#1. 内存对齐的规则)
- [2. 内存对齐的练习题](#2. 内存对齐的练习题)
- - [1. 练习1](#1. 练习1)
  - [2. 练习2](#2. 练习2)
  - [3. 练习3](#3. 练习3)
  - [4. 练习4](#4. 练习4)
- [3. 为什么存在内存对⻬?](#3. 为什么存在内存对⻬?)
五、结构体实现位段
- [1. 什么是位段](#1. 什么是位段)
- [2. 位段内存的分配](#2. 位段内存的分配)
- [3. 位段的跨平台问题](#3. 位段的跨平台问题)
- [4. 位段的应用（了解）](#4. 位段的应用（了解）)
- [5. 位段使用的注意事项](#5. 位段使用的注意事项)

一、什么是结构体？

在 C 语言中，结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，它可以把不同类型的数据组合在一起。

二、结构体变量的创建和初始化

在创建结构体变量之前，需要对该结构体类型进行声明，因为这是我们创建的类型，需要告知编译器。如下是一个简单的学生结构体声明：

c 复制代码

// Stu 结构体声明
struct Stu
{
	char name[20];  // 姓名
	int age;  // 年龄
	double weight;  // 体重
};

上述声明告诉编译器，我们创建了一个 Stu 结构体类型，该结构体有三个成员，字符数组 name，int 变量 age，double 变量 weight。现在就可以像使用 int、double 等类型一样创建变量了，但是创建变量时前面要加上关键字 struct，

c 复制代码

// 创建 Stu 结构体变量
int main()
{
	// 创建 Stu 结构体变量
	struct Stu stu1 = { "李华", 18, 60 };
}

上述代码创建了一个 Stu 结构体变量 stu1，并给它的每个成员都赋了初值。结构体变量初始化采用列表初始化的方式，如果其内还有数组或者其他结构体作为成员，则在内部再次使用列表初始化。

还可以在声明结构体类型的同时创建该结构体变量：

c 复制代码

// Stu 结构体声明
struct Stu
{
	char name[20];  // 姓名
	int age;  // 年龄
	double weight;  // 体重
}stu1 = { "李华", 18, 60.24 }, stu2 = { "张三", 20, 62.4 };

结构体声明在所有函数之外就是全局结构体，在所有函数中均可使用该结构体；如果该结构体声明在特定的函数之内，那么只能在该函数中使用该结构体。

1. C99 指定初始化

从 C99 标准之后，C 语言的结构体可以使用指定初始化。其格式为：

struct 结构体名变量名 = {.成员名1 = 值1,.成员名2 = 值2,...};

那么上面的 Stu 结构体变量 stu1 的初始化就可以改成下面的代码：

c 复制代码

// 使用指定成员初始化
struct Stu stu1 = { .name = "李华", .age = 18, .weight = 60.2 };

2. 结构体最好不要使用部分初始化

因为结构体使用部分初始化后，剩余的成员不一定会初始化为 0，且没有标准规定。一般取决于使用的环境，作者使用的 VS 2022 部分初始化的剩余成员是被设置为 0 的：

但是最好不要使用部分初始化。

3. 结构体不能自己包含自己

如下代码：

c 复制代码

// 结构体自己包含自己
struct Stu
{
	char name[20];  // 20 字节
	Stu stu1;  // ?字节
}

请问如何计算上述结构体变量的大小？这根本无法计算，只会陷入无线的套娃之中。所以，结构体是不能自己包含自己的，只能包含其他结构体变量，或者包含自己的指针。

4. 使用 typedef 简化结构体类型

前面创建结构体变量的代码中，都需要前缀关键字 struct。如果想要像使用 int 等类型一样创建变量，那么只需要在声明结构体类型的时候使用关键字 typedef 就可以，下面两种形式均可：

(1)声明的同时使用 typedef

c 复制代码

// Stu 结构体声明
typedef struct Stu
{
	char name[20];  // 姓名
	int age;  // 年龄
	double weight;  // 体重
}Stu;

（2）声明之后使用 typedef

c 复制代码

// Stu 结构体声明
struct Stu
{
	char name[20];  // 姓名
	int age;  // 年龄
	double weight;  // 体重
};
typedef struct Stu Stu;

然后，现在就可以像创建普通变量一样，创建 Stu 结构体变量了：

c 复制代码

Stu s1 = { "李华", 18, 60.24 };

5. 匿名结构体

匿名结构体是没有名称的结构体，且只能在声明的时候创建变量：

c 复制代码

// 匿名结构体
struct
{
	int i;
}A;

上述匿名结构体只有 A 这个变量，由于没有名称，所以不能在其他地方再创建该结构体变量。

可以使用关键字 typedef 解决上述问题：

c 复制代码

// 匿名结构体
typedef struct
{
	int i;
}Unknown;

int main()
{
	Unknown A = { 10 };

	return 0;
}

但是如果使用了 typedef 关键字，就失去了使用匿名结构体的意义。

三、结构体变量的使用和传参

我们可以通过成员运算符（.）来访问结构体变量的每个成员，如下代码：

c 复制代码

// Stu 结构体声明
typedef struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	double weight;
}Stu;

int main()
{
	Stu stu1 = { "张三", 18, 60.24 };
	// 打印
	printf("姓名：%s\n", stu1.name);
	printf("年龄：%d\n", stu1.age);
	printf("体重：%f\n", stu1.weight);

	return 0;
}

从上述代码中，我们可以像使用普通变量一样使用结构体的成员，如：struct.age 就是一个 int 变量，可以进行 int 变量的所有操作。那么结构体数组也同样如此：

c 复制代码

// 创建 Stu 结构数组并初始化
Stu stus[3] = {
	{"张三", 18, 60.24},
	{"李四", 19, 61.1 },
	{"王五", 20, 62.3}
};
// 打印
int i;
printf("%-10s%-5s%-10s\n", "姓名", "年龄", "体重");
for (i = 0; i < 3; ++i)
{
	printf("%-10s%-5d%-8.2f\n", stus[i].name, stus[i].age, stus[i].weight);
}

结果如下：

1. 结构体传参的两种方式

结构体和其他类型一样，传参时都是值传递和址传递两种方式。我们通过一个打印结构体信息的函数，来看看结构体的这两种传参方式。

（1）值传递

c 复制代码

// 值传递
void print_Stu(Stu stu)
{
	printf("%s ", stu.name);
	printf("%d ", stu.age);
	printf("%f ", stu.weight);
}

（2）址传递

c 复制代码

// 址传递
void print_pStu(Stu* ps)
{
	printf("%s ", (*ps).name);
	printf("%d ", (*ps).age);
	printf("%f ", (*ps).weight);
}

从上述代码来看，结构体指针的创建和普通变量的指针创建是类似的。上述址传递的时候先对指针解引用拿到该指针所指向的结构体，然后再打印该结构体成员的信息。而 C 语言还提供了一种通过指针间接访问结构体成员的办法：

c 复制代码

// 址传递
void print_pStu(Stu* ps)
{
	printf("%s ", ps->name);
	printf("%d ", ps->age);
	printf("%f ", ps->weight);
}

符号 -> 称为箭头运算符，是专门提供给指针访问结构体成员的运算符。而 ps->name 的实质还是是 (*ps).name，这就和数组中 arr[i] 的实质是 *(arr+i) 一样，箭头运算符和下标运算符都是为了让使用者更加方便和更容易理解。

四、结构体内存对齐

结构体大小的计算和其他类型不一样，它有自己的一套规则。结构体内存对齐后才能计算其所占空间大小。

1. 内存对齐的规则

（1）结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

（2）其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬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。

（3）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。

（4）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⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

2. 内存对齐的练习题

1. 练习1

首先 c1 是 S1 的第一个成员，其类型为 char 站一个字节，直接对齐到起始位置，如下：

然后是 S1 的第二个成员 i，其类型为 int 占 4 个字节，VS 下默认对其数为 8，那么成员 i 的对其数为 min{4, 8} = 4。所以，i 需要在 4 的倍数的地方开始存储，

最后是 S1 的第三个成员 c2，其类型为 char，占 1 个字节，那么其对齐数为 min{1, 8} = 1，所以 c2 需要在 1 的倍数的地方开始存储：

存储完结构体 S1 的每个成员之后，需要给整个结构体对其，而整个结构体的对齐数是所有成员中对其数最大的那个，也就是 max{1,4,1} = 4。而目前结构体所占空间为 4 + 4 + 1 = 9，不是 4 的整数倍，所以需要补 3 个字节，达到 12 字节。所以最后结构体 S1 的大小为 12 字节。

下面是在 64 位环境下，程序运行的结果：

2. 练习2

首先，结构体 S2 的第一个成员 c1 对齐到 0 位置，类型为 char，占一个字节。

其次，结构体 S2 的第二个成员 c2，类型为 char，占一个字节，其对齐数为 min{1, 8} = 1，对齐到 1 位置。

最后，结构体 S2 的第三个成员 i，类型为 int，占 4 个字节，对齐数为 min{4, 8} = 4，对齐到 4 的整数倍，也就是 4 的位置。

最后是结构体对其，目前结构 S2 的大小为 8，需要对齐到整个结构体的最大对齐数，也就是 max{1,4} = 4，所以 S2 的大小为 8。

下面是 64 位环境下，程序运行的结果：

3. 练习3

首先，结构体 S3 的第一个成员 d，类型为 double，占 8 个字节，对齐到 0 位置。

其次，结构体 S3 第二个成员 c，类型为 char，对齐数为 min{1, 8} = 1，对其到 8 位置。

最后结构体 S3 的第三个成员 i，类型为 int，对齐数为 min{4, 8} = 4，对齐到 12 位置。

现在进行结构体对齐，结构体的对齐数为所有成员对齐数的最大数，也就是 max｛8,1,4｝ = 8，而现在结构体的大小为 16，刚好是 8 的整数倍。所以，结构体 S3 的大小为 8。

下面是 64 位环境下程序运行的结果：

4. 练习4

首先，结构体 S4 的第一个成员 c1，类型为 char，占 1 个字节，对齐到 0 位置。

其次，结构体 S4 第二个成员 s3，其类型为结构体 S3，大小为 16，结构体S3 的最大对其数为 8，则成员 s3 的对其数为 min{8,8} = 8，则对其到 8 位置。

最后，结构体第三个成员 d，类型为 double，对齐数为 min{8, 8} = 8，对齐到 24 位置。

现在进行结构体对其，该结构体的对齐数为所有成员对齐数的最大值，即 max{1,8,8} = 8，现在结构体的大小为 32，是 8 的整数倍。所以结构体 S4 的大小为 32。

下面是 64 位环境下程序运行的结果：

3. 为什么存在内存对⻬?

⼤部分的参考资料都是这样说的：

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。

那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到：让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

如下代码：

c 复制代码

//例如： 
struct S1
{
	 char c1;
	 int i;
	 char c2;
};

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

虽然两个结构体的成员相同，但是 S1 占 12 个字节，S2 占 8 个字节。

五、结构体实现位段

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。

比如：

c 复制代码

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

在上述代码中，A 就是一个位段。那么如何计算 A 的大小？

2. 位段内存的分配

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

下面通过一个简单的示例，来解释位段的内存分配：

c 复制代码

//⼀个例⼦ 
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;
 
	return 0;
}

首先，在 VS 2022 下通过上述规则，成员 a 和 b共占一个字节，剩下一位不够成员 c 存储，然后开辟一个字节，成员 c 在这个新的字节上存储，而上一个字节剩下的一个位就浪费了。然后新字节剩下的 4 各位不够 3 个位不够 d 存储，又开辟一个字节。所以一共位段 S 一共需要 3 个字节的空间。

有了上面的图，就可以知道在 VS2022 中，位段的成员是从当前字节的低位开始使用的。现在我们来解释一下 main() 函数中的赋值语句是如何进行的：

s.a = 10，且 a 为 char 类型，所以二进制为：00001010，但是 a 只有 3 位的空间，所以只取后 3 位如下：

同理，其他成员也是如此：

然后我们把初始化的 0 补上，算出这三个字节的十六进制：

这里没有大小端的问题哈，大小端是字节的顺序，这里都是 char 类型，最大就是一个字节。

下面是 64 位环境下，程序运行时结构体 s 在内存中的十六进制，与上述计算的十六进制相同：

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16，32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。

4. 位段的应用（了解）

位段在计算机编程中有很多重要的应用，以下是一些主要的方面：

一、内存优化

在资源受限的系统中，如嵌入式设备，内存空间非常宝贵。位段可以将多个布尔值或小整数紧凑地存储在一个字中，极大地节省了内存空间。例如，在一个嵌入式系统中，用于表示设备状态的多个标志可以组合成一个位段结构。假设我们有一个设备，其状态包括电源状态（开 / 关）、连接状态（已连接 / 未连接）和工作模式（正常 / 节能 / 高性能）。如果不使用位段，每个状态可能需要占用一个字节的内存空间，而使用位段，可以将这三个状态存储在一个字节甚至更少的空间中。

二、协议解析

在网络通信和数据传输中，各种协议通常会定义一组标志位来表示不同的状态或选项。位段可以方便地解析和处理这些标志位。比如在 TCP/IP 协议中，IP 报头中的标志字段就可以用位段来表示和解析。其中包括保留位、不分片标志和更多分片标志等。通过位段，可以快速地检查这些标志位的值，从而确定如何处理数据包。

三、图形编程

在图形处理中，位段可以用于表示像素的属性。例如，在一个图像格式中，每个像素可能包含多个属性，如透明度、颜色通道和特殊效果标志等。使用位段可以将这些属性紧凑地存储在一个数据结构中，方便对图像进行处理和渲染。

四、硬件描述语言

在硬件设计中，硬件描述语言（如 Verilog 和 VHDL）经常使用位段来描述寄存器和信号的位级属性。例如，在设计一个处理器的控制寄存器时，可以使用位段来表示不同的控制信号，如中断使能、流水线控制和缓存策略等。这样可以更清晰地描述硬件的行为，并方便进行综合和仿真。

五、配置文件存储

位段可以用于存储配置文件中的选项和设置。例如，在一个软件的配置文件中，可以使用位段来表示各种功能的启用或禁用状态。这样可以节省文件空间，并方便快速地读取和解析配置信息。

总之，位段在计算机编程中是一种非常有用的技术，可以在多个领域中实现内存优化、高效的数据处理和紧凑的数据存储。它虽然在使用上需要一些小心和注意，但在合适的场景下可以发挥重要的作用。

5. 位段使用的注意事项

在 C 语言中，内存中的地址都是以字节为最小单位划分的。但是在位段中，有时会有几个成员共用一个字节，那么其中不是从该字节起始位置开始存储的成员是没有地址的，因为一个字节内部的 bit 位是没有地址的。所以就不能使用 scanf() 函数对该类成员进行输入，只能通过赋值语句进行赋值。如下示例：

c 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;
}
``

结构体（C 语言）

目录

一、什么是结构体？

二、结构体变量的创建和初始化

1. C99 指定初始化

2. 结构体最好不要使用部分初始化

3. 结构体不能自己包含自己

4. 使用 typedef 简化结构体类型

5. 匿名结构体

三、结构体变量的使用和传参

1. 结构体传参的两种方式

四、结构体内存对齐

1. 内存对齐的规则

2. 内存对齐的练习题

1. 练习1

2. 练习2

3. 练习3

4. 练习4

3. 为什么存在内存对⻬?

五、结构体实现位段

1. 什么是位段

2. 位段内存的分配

3. 位段的跨平台问题

4. 位段的应用（了解）

5. 位段使用的注意事项