自定义类型: 结构体 (详解)

本文索引

  • 一. 结构体类型的声明
    • 1. 结构体的声明和初始化
    • 2. 结构体的特殊声明
    • 3. 结构体的自引用
  • 二. 结构体内存对齐
    • 1. 对齐规则
    • 2. 为啥存在对齐?
    • 3. 修改默认对齐值
  • 三. 结构体传参
  • 四. 结构体实现位段
    • 1. 什么是位段?
    • 2. 位段的内存分配
    • 3. 位段的应用
    • 4. 位段的注意事项

​
前言:

这篇博客将对结构体类型进行详解, 后续我还会对枚举与联合体进行详解

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正文开始

一. 结构体类型的声明

1. 结构体的声明和初始化

结构体是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

struct tag
{member-list;
}variable-list;

描述一个学生:

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

初始化:

#include<stdio.h>
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int main()
{//按照结构成员的顺序初始化struct Stu s = { "zhangsan", 20 , "nan","20230818001" };printf("%s\n", s.name);printf("%d\n", s.age);printf("%s\n", s.sex);printf("%s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化struct  Stu s2 = { .age = 20,.name = "lisi",.id = "12345678",.sex = "nv" };printf("%s\n", s2.name);printf("%d\n", s2.age);printf("%s\n", s2.sex);printf("%s\n", s2.id);return 0;
}

2. 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。

//匿名结构体
struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20] , *p;

上面的两个结构体在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）
那么问题来了？

//在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？ 
p = &x;

警告：

编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的。
匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用⼀次。

3. 结构体的自引用

在结构体中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是否可以呢？
比如，定义⼀个链表的节点：

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

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？
仔细分析，其实是不⾏的，因为⼀个结构体中再包含⼀个同类型的结构体变量，这样结构体变量的⼤
⼩就会⽆穷的⼤，是不合理的。

正确的⾃引⽤⽅式：

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？

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

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

二. 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使⽤了。
现在我们深⼊讨论⼀个问题：计算结构体的⼤⼩。
这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬

1. 对齐规则

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。

//练习1 
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

解析: 首先c1存放在偏移量为0的位置处, i的对其数为4, 需要对其到起始位置的4倍,如下图, c2对其数为1, 如下图, 然后结构体的总大小为最大对其数的整数倍,即为12个字节

画图:
在这里插入图片描述

//练习2 
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S2));return 0;
}

解析: c1对齐数1, 对齐到起始位置1倍, c2对齐数1, 对齐到起始位置1倍, i对齐数4,对齐到起始位置4倍, 整体为4的整数倍.

画图:

在这里插入图片描述

//练习3 
struct S3
{double d;char c;int i;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S3));return 0;
}

解析: d的对齐数为8, c的对齐数为1,对齐到起始位置的1倍, i 的对齐数为4, 对齐到起始位置的4倍

画图:

在这里插入图片描述

//练习4-结构体嵌套问题 struct S3
{double d;char c;int i;
};struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S4));return 0;
}

解析: 首先, c1的对齐数为1, s3的对齐数取其成员最大对齐数为8, d对齐数为8,总大小为8的倍数

画图:

在这里插入图片描述

2. 为啥存在对齐?

⼤部分的参考资料都是这样说的：

  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。

  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：

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：

//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。

3. 修改默认对齐值

#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;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

三. 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;
}

上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：⾸选print2函数。

原因：

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。
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，
所以会导致性性能的下降。

结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

四. 结构体实现位段

1. 什么是位段?

位段的声明和结构体是类似的，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。
    ​
    ⽐如：
struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};

A就是⼀个位段类型。
那位段A所占内存的⼤⼩是多少？

接下来我们就来了解位段的内存分配

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。
//⼀个例⼦ 
struct S
{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;
};
struct S s = {0};//如果让
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

在这里插入图片描述

但是位段存在几个跨平台的问题:

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。
(比如int位数写成int _e : 27在16位机器上是错误的,因为16位机器int占2个字节)
4. 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。
5. 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。

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。

3. 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。

在这里插入图片描述

4. 位段的注意事项

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。

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;
}

完

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