C语言自学--自定义类型：结构体

目录

1、结构体类型声明

1.1、结构体回顾

[1.2 结构的特殊声明](#1.2 结构的特殊声明)

1.2.1、匿名结构体类型分析

1.2.2、匿名结构体的特点

1.2.3、匿名结构体的适用场景

[1.3 结构的自引用](#1.3 结构的自引用)

2、结构体内存对齐

[2.1 内存对齐规则](#2.1 内存对齐规则)

2.2、结构体大小计算分析

[练习1：struct S1](#练习1：struct S1)

[练习2：struct S2](#练习2：struct S2)

[练习3：struct S3](#练习3：struct S3)

[练习4：struct S4（嵌套S3）](#练习4：struct S4（嵌套S3）)

2.3、内存对齐的必要性

[24 、修改默认对⻬数](#24 、修改默认对⻬数)

[3、 结构体传参](#3、 结构体传参)

4、结构体实现位段

4.1、位段的概念

4.2、位段的语法

4.3、位段的特性

4.4、示例代码

4.5、注意事项

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1、结构体类型声明

我们在学习操作符时已经接触过结构体的相关知识，这里先简单回顾一下。

1.1、结构体回顾

1、结构体类型声明

结构体(Structure)是C语言中一种重要的复合数据类型，它允许将不同类型的数据组合成一个整体。结构体类型的声明使用`struct`关键字，基本语法格式如下：

```c
struct 结构体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    //...更多成员
    数据类型 成员n;
}variable_list;;

其中：

• struct是声明结构体的关键字
• 结构体名是用户自定义的标识符
• 大括号内是该结构体包含的成员变量声明
• 每个成员声明后需要加分号
• 整个结构体声明以分号结束
• variable-list 是可选的，可以在定义结构体的同时声明该类型的变量。

struct Point {
    int x;
    int y;
} p1, p2;
 

上面的代码定义了一个名为 Point 的结构体，包含两个整型成员 x 和 y，同时声明了两个 Point 类型的变量 p1 和 p2。结构体定义后，可以通过成员访问运算符 . 来访问其成员变量：

p1.x = 10;
p1.y = 20;

在C语言中，结构体定义后使用时必须带上 struct 关键字，除非使用 typedef 进行重命名：

typedef struct Point {
    int x;
    int y;
} Point;

Point p3;  // 不需要写 struct Point

在C++中，结构体定义后可以直接使用结构体名称声明变量，无需 struct 关键字。

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示例1：声明一个表示学生的结构体

struct Student {
    int id;          // 学号
    char name[20];   // 姓名
    float score;     // 成绩
    char gender;     // 性别
};

示例2：声明一个表示日期的结构体

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

结构体声明时需要注意：

1. 结构体声明本身不分配内存，只有定义了结构体变量才会分配内存
2. 结构体成员可以是任何数据类型，包括基本类型、数组、指针，甚至是其他结构体
3. 结构体可以嵌套声明，例如：

struct Person {
    char name[20];
    struct Date birthday;  // 嵌套Date结构体
};

结构体声明通常放在头文件(.h)中，以便多个源文件共享使用。

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1.2 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

1.2.1、匿名结构体类型分析

匿名结构体（unnamed struct）是指在声明时没有提供结构体标签（tag）的结构体类型。这种结构体可以直接定义变量，但不能在其他地方复用该类型。

代码示例1：

struct {
    int a;
    char b;
    float c;
} x;

这里定义了一个匿名结构体并直接声明了一个变量x。由于没有标签，后续无法通过struct tag的方式声明其他变量。

代码示例2：

struct {
    int a;
    char b;
    float c;
} a[20], *p;

同样定义了一个匿名结构体，但声明了一个数组a[20]和一个指针p。由于没有标签，无法在其他地方声明相同类型的变量。

1.2.2、匿名结构体的特点

匿名结构体的成员可以正常访问，例如：

x.a = 10;
p->b = 'X';

但编译器会将两个匿名结构体视为不同的类型，即使它们的成员完全一致。因此以下代码会报错：

p = &x;  // 错误：类型不兼容

1.2.3、匿名结构体的适用场景

• 临时使用的结构体，不需要复用类型。
• 结构体仅用于单个变量或少量变量时。
• 嵌套在联合体或其他结构体中作为匿名成员（C11标准支持）。

如果需要复用结构体类型，应使用带标签的声明方式：

struct named_tag {
    int a;
    char b;
    float c;
};
struct named_tag y, z;  // 合法

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1.3 结构的自引用

结构体中是否可以包含自身类型的成员？例如，定义链表节点时：

struct Node
 {
 int data;
 struct Node next;
 };

这段代码是否正确？如果正确，sizeof(struct Node) 的值是多少？经过仔细分析，这段代码存在不合理之处。因为结构体中如果包含同类型的结构体变量，会导致结构体大小无限增长，这是不合理的实现方式。正确的自引用方式应该是使用指针。

struct Node 
{
    int data;
    struct Node* next;
};

该代码定义了一个结构体 Node，其中包含一个 int 类型的 data 成员和一个 struct Node 类型的 next 成员。这种定义方式会导致结构体无限递归，因为 next 成员本身又是一个完整的 Node 结构体，而 Node 又包含 next，如此循环下去，无法计算其大小。

结构体不能直接包含自身类型的成员变量，因为这样会导致：

• 结构体大小无法计算（无限递归）。
• 编译器无法分配内存，因为 sizeof(struct Node) 会无限增长。

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在使用结构体自引用时，若结合typedef对匿名结构体类型进行重命名，可能会引发问题。请观察以下代码示例，其可行性如何？

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，但在匿名结构体内部提前使用Node类型来创建成员变量，这是不允许的。

优化后的表达如下：

定义结构体不要使用匿名结构体了

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;

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2、结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本用法。现在让我们深入探讨一个关键问题：如何计算结构体的大小。这同时也是面试中的高频考点。

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2.1 内存对齐规则

结构体的内存对齐需遵循以下规则：

1. 结构体首成员从偏移量为0的地址开始存放

2. 其余成员需对齐到对齐数的整数倍地址：

   • 对齐数 = min(编译器默认对齐数，该成员大小)
   • VS默认对齐数为8
   • Linux gcc无默认对齐数，对齐数等于成员自身大小

3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍（取所有成员对齐数的最大值）

4. 嵌套结构体的情况：

   • 嵌套的结构体成员对齐到其内部最大对齐数的整数倍处
   • 整体结构体大小须为所有最大对齐数（含嵌套结构体）的整数倍

2.2、结构体大小计算分析

结构体的大小计算涉及内存对齐原则，不同编译器和平台可能有不同对齐规则。以下基于常见对齐规则（如默认4字节对齐）进行分析：

练习1：struct S1

struct S1 {
    char c1;    // 1字节
    int i;      // 4字节（对齐到4的倍数）
    char c2;    // 1字节
};

• c1占用1字节，起始偏移0
• i需要4字节对齐，因此在c1后填充3字节（偏移1→4）
• c2占用1字节，偏移8
• 结构体总大小需为最大成员（int）对齐值的整数倍，最终填充到12字节

输出结果 ：12

练习2：struct S2

struct S2 {
    char c1;    // 1字节
    char c2;    // 1字节
    int i;      // 4字节（对齐到4的倍数）
};

• c1和c2连续存放，占用2字节（偏移0-1）
• i需要4字节对齐，在c2后填充2字节（偏移2→4）
• 结构体总大小为8字节（无需额外填充）

输出结果 ：8

练习3：struct S3

struct S3 {
    double d;   // 8字节
    char c;     // 1字节
    int i;      // 4字节（对齐到4的倍数）
};

• d占用8字节，起始偏移0
• c占用1字节，偏移8
• i需要4字节对齐，在c后填充3字节（偏移9→12）
• 结构体总大小为16字节（无需额外填充）

输出结果 ：16

练习4：struct S4（嵌套S3）

struct S4 {
    char c1;        // 1字节
    struct S3 s3;   // 16字节（对齐到8的倍数）
    double d;       // 8字节
};

• c1占用1字节，起始偏移0
• s3需要8字节对齐（因其最大成员为double），在c1后填充7字节（偏移1→8）
• s3自身大小为16字节（偏移8-23）
• d占用8字节，偏移24（已对齐）
• 结构体总大小为32字节（无需额外填充）

输出结果 ：32

2.3、内存对齐的必要性

内存对齐主要基于两个关键原因：

1. 硬件兼容性 并非所有硬件平台都支持任意地址的数据访问。某些平台只能在特定地址读取特定类型的数据，否则会触发硬件异常。这种限制使得内存对齐成为跨平台兼容的重要考量。

2. 性能优化 对齐的数据结构（特别是栈结构）能显著提升访问效率。处理器访问未对齐内存需要两次操作，而对齐内存只需一次。例如：一个8字节读取的处理器，若double类型数据都按8字节对齐存储，就能单次完成读写；否则数据可能跨越两个内存块，导致需要两次访问。

简而言之，内存对齐是以空间换取时间的优化策略。

在设计结构体时，如何兼顾内存对齐和空间节省：让占用空间小的成员尽量集中在⼀起

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

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

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。

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24 、修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

#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;
}

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。

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3、 结构体传参

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;
}

print1 和 print2 函数哪个更好？答案是：优先选择 print2。

原因：函数传参时需要进行参数压栈操作，会产生时间和空间上的系统开销。当传递大型结构体对象时，由于参数压栈的系统开销过大，会导致性能显著下降。

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4、结构体实现位段

4.1、位段的概念

位段（Bit-field）是C语言中结构体的一种特殊用法，允许按位来定义成员变量的大小。通过位段可以有效节省内存空间，特别适合存储开关标志或状态码等小范围数据。

4.2、位段的语法

在结构体定义中，通过在成员变量后加上冒号和位数来声明位段：

struct 结构体名 {
    类型 成员名1 : 位数1;
    类型 成员名2 : 位数2;
    ...
};

• 类型 ：通常为int、unsigned int或signed int（C99后支持_Bool）。
• 位数：指定该成员占用的二进制位数（1到类型位宽之间）。

4.3、位段的特性

1. 内存分配单位：位段成员按定义顺序从低位到高位布局，具体对齐方式由编译器决定。
2. 跨字节处理 ：当位段总位数超过一个存储单元（如int的位数）时，可能跨越多个单元。
3. 未命名位段 ：可定义无名位段实现填充，例如unsigned : 4;表示跳过4位。
4. 零宽度位段 ：定义长度为0的位段（如unsigned : 0;）会强制下一个位段从新存储单元开始。

4.4、示例代码

#include <stdio.h>

struct Status {
    unsigned flag1 : 1;  // 1位，表示布尔值
    unsigned flag2 : 3;  // 3位，范围0~7
    unsigned       : 4;  // 4位填充（未使用）
    unsigned mode  : 2;  // 2位，范围0~3
};

int main() {
    struct Status s;
    s.flag1 = 1;
    s.flag2 = 5;
    s.mode = 2;
    
    printf("Sizeof struct: %zu bytes\n", sizeof(s));  // 通常输出1或4（依赖对齐）
    return 0;
}

4.5、注意事项

• 可移植性：位段的具体内存布局因编译器和平台而异，跨平台时需谨慎。
• 地址操作 ：无法对位段成员取地址（如&s.flag1是非法的）。
• 符号处理 ：使用signed int时，最高位会被视为符号位。

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