【C】一篇文章搞懂C语言的自定义类型之结构体的从入门到入坟

逃离我推掉我的手 2023-02-20 12:17 7阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  自定义类型
 *   *  结构体类型
     *   *  一、结构体类型的声明
         *   *  1.非匿名结构体的声明
             *  2.匿名结构体的声明
         *  二、结构体的自引用
         *  三、结构体变量的定义与初始化
         *  四、结构体传参
         *   *  1.结构体传值
             *  2.结构体传址
         *  五、内存对齐（计算结构体大小）
         *   *  1.对齐规则
             *  2.设计结构体
             *  3.修改默认对齐数
         *  六、位段
         *   *  1.基本概念
             *  2.例题解析

# 自定义类型 #

> 自定义类型一共只有三种：  
> 1.结构体类型  
> 2.枚举类型  
> 3.联合类型

## 结构体类型 ##

> c语言中已经有了float、int、double等数据类型存放某一个数据，有了数组来存放一堆相同类型的数据，如果想存储一堆不同类型的数据就需要使用到**结构体类型**

### 一、结构体类型的声明 ###

#### 1.非匿名结构体的声明 ####

非匿名结构体声明模板：
    struct 结构体名字{ 
    	数据成员;
    }变量名;	//这里的定义变量可以省略

例子：
    struct Student{ 
    	char name[20];	//姓名
    	int age;		//年龄
    	char sex[5];	//性别
    	char id[10];	//学号
    };	//分号不能省略 很重要
    struct Dog{ 
    	char name[20];
    	double weight;
    }dog;	//声明结构体的同时定义了一个名字为dog的结构体类型变量

#### 2.匿名结构体的声明 ####

> 定义结构体时，省略了结构体名字

匿名结构体声明模板：
    struct { 
    	int a;
    	char b;
    	double c;
    }x;
    struct { 
    	int a;
    	char b;
    	double c;
    }*p;

> 想一想：如果p指向了x，这种操作合法吗？

p = &x;

> 这种操作不合法，原因是编译器会将这两个声明当成两个完全不同的结构体类型，所以是非法的。

### 二、结构体的自引用 ###

例子：
    //错误例子1：
    struct Node{ 
    	int data;
    	struct Node nextNode;
    };
    //错误例子2：
    struct Node{ 
    	int data;
    	Node nextNode;
    }x;
    //正确例子：
    struct Node{ 
    	int data;
    	struct Node* nextNode;	//用于存放其他结构体变量的地址
    };

### 三、结构体变量的定义与初始化 ###

结构体变量的定义：
    struct Point{ 
    	int x;
    	int y;
    }p1;		//定义结构体变量p1
    struct Point p2;	//定义结构体变量p2
    
    结构体变量的初始化
    int x = 10,y = 10;
    p1 = { x,y};		//初始化p1
    p2 = { 20,20};	//初始化p2
    
    struct Node{ 
    	int data;
    	struct Node* nextNode;
    }p3 = { 10,NULL};	//定义并初始化p3

### 四、结构体传参 ###

> 结构体传参有两个选择：  
> 1.传值  
> 2.传址

#### 1.结构体传值 ####

> 形参是结构体变量时，该形参仅仅只是实参的拷贝，对形参的操作并不会影响到实参

struct Point{ 
    	int x;
    	int y;
    };
    void initial(struct Point n){ 
    	int x = 10;
    	int y = 10;
    	n = {  x, y };
    }
    int main(){ 
    	struct Point p = {  15, 15 };
    	initial(p);
    	printf("%d %d\n", p.x, p.y);	//15 15
    
    	return 0;
    }

#### 2.结构体传址 ####

> 形参是结构体指针变量时，将实参结构体变量的地址传入函数中，操作指针间接对实参进行修改

struct Point{ 
    	int x;
    	int y;
    };
    void initial(struct Point* n){ 
    	int x = 10;
    	int y = 10;
    	*n = {  x, y };
    }
    int main(){ 
    	struct Point p = {  15, 15 };
    	initial(&p);
    	printf("%d %d\n", p.x, p.y);	//10 10
    	
    	return 0;
    }

### 五、内存对齐（计算结构体大小） ###

#### 1.对齐规则 ####

> 想一想：结构体变量所占内存大小只是其变量所占内存大小的简单累加吗？  
> 答案：并不是的。

看这段代码运行结果：

struct S1
    { 
    	char c1;
    	int i;
    	char c2;
    };
    int main(){ 
    	struct S1 s = { 'a',2,'a'};
    	printf("%d\n", sizeof(s));
    
    	return 0;
    }

运行结果：12

**s的内存图：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

> 由此可见，1 + 1+ 4 ≠ 12  
> 其实结构体所占内存的大小遵循**内存对齐规则**

*  内存对齐规则

> 1.  对齐数字：**结构体中所占内存最大的成员变量** 和 **编译器默认的对齐数字** 中 **较小值**。（说明：如果结构体有两个char和一个int，编译器默认的对齐数字是8字节,则对齐数字就是较小的int所占的字节数4）
> 2.  每一个成员变量的**起始地址**必须是**对齐数字的整数倍**
> 3.  结构体**总大小**为**最大对齐数**的**整数倍**
> 4.  如果结构体的成员变量有结构体变量，这种情况下，嵌套的结构体对齐到自己的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（包含嵌套结构体的对齐数）的整数倍

*  关于默认对齐你需要知道的：

> 1.  VS编译器中默认对齐数为 8
> 2.  Linux下默认对齐数为 4
> 3.  嵌套结构体的情况下，内层结构体 对齐到 自己的最大对齐数的整数倍，先分析内层结构体找出所占大小，再将其看成一个普通的变量即可

*  为什么存在内存对齐？

> 原因：
> 
> 1.  **平台原因**（移植原因）：不是所有的硬盘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**：为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

内存未对齐图解  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
内存对齐图解  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**总的来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。**

#### 2.设计结构体 ####

> 那么在设计结构体时，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到？  
> 答案：尽量让占用空间小的成员集中在一起

struct S1
    { 
    	char c1;
    	int i;
    	char c2;
    };
    struct S2
    { 
    	char c1;
    	char c2;
    	int i;
    };

上述两段代码哪一个占用空间最小？  
**S1占12字节；S2占8字节**

内存图解  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

#### 3.修改默认对齐数 ####

#pragma pack(2) //设置对齐数为2
    struct S1		//一共占8个字节
    { 
    	char c1;	//占1字节+空1字节
    	int i;		//4字节
    	char c2;	//占1字节+空1字节
    };
    struct S2		//一共占6个字节
    { 
    	char c1;	//占1字节
    	char c2;	//占1字节
    	int i;		//占4字节
    };
    #pragma pack() //取消设置的默认对齐数，还原为默认

### 六、位段 ###

#### 1.基本概念 ####

> 位段的特性：
> 
> 1.  位段的成员只能是int、unsigned int、signed int、char这些中的若干个
> 2.  **位段的成员名后面有一个冒号和一个数字**
> 3.  位段的空间是按照需要以4个字节(int)或者1个字节(char)的方式来开辟的
> 4.  位段是不跨平台的，可移植的程序尽量少使用位段
> 5.  当一个结构体中第一个位段的剩余空间无法容纳下第二个位段时，需要重新开辟一个sizeof(type)大小的空间来容纳第二个位段，这里的type是第二个位段的数据类型
> 6.  **32位机器缺省默认对齐4字节 64位机器缺省默认对齐8字节**

struct A { 
    	int _a : 2;
    	int _b : 5;
    	int _c : 10;
    	int _d : 30;
    };
    int main(){ 
    	struct A a;
    	a._a = 1;
    	a._b = 1;
    	a._c = 1;
    	a._d = 1;
    	printf("%d\n", sizeof(struct A));		//8个字节
    
    	return 0;
    }

内存图解

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]位段优点：与结构体相比，位段可以最大化利用内存空间，根据成员数据大小范围，估计数据位数，更好的节省空间。

#### 2.例题解析 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

> 答案：C  
> 抓住题意：**32位机器，所以默认以4字节来开辟空间哒**

原因图解  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200626225050817.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg==,size_16,color_FFFFFF,t_70
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