详解C语言自定义类型——结构体struct

秒速五厘米 2024-03-25 20:55 66阅读 0赞

## 结构体 ##

> 与数组不同，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，而数组是一种类型元素的集合，结构体是多种类型元素的集合。

#### 文章目录 ####

*  结构体
 *   *  一、结构体类型的声明
     *   *  1.匿名结构体类型
         *  2.结构的自引用
         *  3.结构体的重命名
     *  二、结构体变量的定义和初始化
     *  三、结构体内存对齐
     *   *  1.结构体的对齐规则
         *  2.求结构体的偏移量函数offsetof
         *  (1)例一（一般结构体对齐）
         *  (2)例二（一般结构体对齐）
         *  (3)例三（结构体中嵌套结构体）
         *  3.为什么内存对齐
         *  4.合理编写结构体以节省空间
     *  四、修改默认对齐数
     *  五、结构体传参
     *  六、位段
     *   *  1.位段的声明和结构是类似
         *  2.位段的内存分配
         *  3.位段的跨平台问题

### 一、结构体类型的声明 ###

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

struct：结构体的关键字  
tag：结构体的标签名  
member-list： 成员变量  
variable-list： 变量列表

举例：定义一个学生类型

struct Stu//该结构体类型为 struct Stu类型
    {
        
    	char name[20];//名字
    	int age;//年龄
    	char sex[5];//性别
        float weight;//体重
    }s3,s4,s5;//定义了s3,s4,s5三个结构体变量（全局变量）
    int main()
    {
        
        struct Stu s1;
        struct Stu s2;//定义了s1,s2两个结构体变量（局部变量）
    }

#### 1.匿名结构体类型 ####

在声明结构的时候，可以不完全的声明，即：匿名结构体类型。

struct 
    {
        
    	char name[20];//名字
    	int age;//年龄
    	char sex[5];//性别
    }m，n;
    //匿名结构体类型，声明了两个结构体变量：m,n
    //该结构体不能再定义结构体变量，用完就没有了

#### 2.结构的自引用 ####

错误示范

struct men
    {
        
    	char name[20];
    	int age;
    	char sex[5];
    	struct men s;//错误的，因为该自引用会无限循环（占用内存无法确定）
    };

正确示范

struct men
    {
        
    	char name[20];
    	int age;
    	char sex[5];
    	struct men* s;//正确的，因为指针的大小是固定的（4或8个字节）
    };

struct Stu
    {
        
    	int age;
    	char name[20];
    	struct Stu* p;
    };
    int main()
    {
        
    	struct Stu s1;
    	struct Stu s2;
    	s1.p = &s1;
    
    	return 0;
    }

#### 3.结构体的重命名 ####

typedef struct men 
    {
        
    	char name[20];
    	int age;
    	char sex[5];
    }m;
    //将结构体重命名为m
    int main()
    {
        
    	m x = {
         "zzz",18,"sss" };
    }

typedef struct 
    {
        
    	char name[20];
    	int age;
    	char sex[5];
    }m;
    //将匿名结构体重命名为m
    int main()
    {
        
    	m x = {
         "zzz",18,"sss" };
    }

typedef struct
    {
        
    	char name[20];
    	int age;
    	char sex[5];
    	m* p;//错误的（系统自上而下运行，不能识别m是什么意思
    }m; 
    int main()
    {
        
    	m x = {
         "zzz",18,"sss" };
    }

### 二、结构体变量的定义和初始化 ###

struct Stu1
    {
        
    	int age;
    	char name[20];
    	float weight;
    }s3= {
         12,"ass",2.3 };//s3初始化
    struct Stu2
    {
        
    	int age;
    	char name[20];
        int*p;
    	struct Stu1 s;
    };
    
    int main()
    {
        
    	struct Stu1 s1 = {
         18,"www",142.5 };//s1初始化
    	struct Stu2 s2 = {
         18,"www",NULL,{
        20,"aaa",134.5} };//s2初始化
    	printf("%d %s %lf\n", s1.age, s1.name, s1.weight);//打印s1中各项的值
    	return 0;
    }

### 三、结构体内存对齐 ###

引子：计算下列结构体的大小

struct S1
    {
        
    	int a;
    	char b;
    	float c;
    };
    struct S2
    {
        
    	int a;
    	char ch[4];
    	float c;
    };
    struct S3
    {
        
    	int a;
    	char b;
    	float c;
    	double d;
    };
    
    int main()
    {
                                         //结果是：
    	printf("%d\n", sizeof(struct S1));// 12
    	printf("%d\n", sizeof(struct S2));// 12
    	printf("%d\n", sizeof(struct S3));// 24
        //结果并不是单纯的字节相加，因为涉及了结构体的内存对齐
    	return 0;
    }

#### 1.结构体的对齐规则 ####

> 1.  第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
> 2.  其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。 VS中默认的值为8
> 3.  结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
> 4.  如果嵌套了结构体的情况，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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍.

#### 2.求结构体的偏移量函数offsetof ####

引头文件\#include<stddef.h>  
**size\_t offsetof( *structName*, \_memberName \_);返回结构体的偏移量**  
偏移 = 成员地址 - 结构体地址  
若结构体地址为0，则偏移 = 成员地址

#### (1)例一（一般结构体对齐） ####

![在这里插入图片描述][b9d78c142b1a45c6ba7d65b8f8613a99.png_pic_center]

#### (2)例二（一般结构体对齐） ####

![屏幕截图 2023-03-18 212722.png][2023-03-18 212722.png]

#### (3)例三（结构体中嵌套结构体） ####

![屏幕截图 2023-03-18 220325.png][2023-03-18 220325.png]

#### 3.为什么内存对齐 ####

可以看到结构体内存对齐会浪费空间，那么为什么存在内存对齐?

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，否则会出显硬件异常。
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齐。  
    因为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。

\*\*总体来说： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。 \*\*

#### 4.合理编写结构体以节省空间 ####

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，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：

struct s1
    {
        
    	char a;
    	int b;
    	char c;//一共占12个字节空间
    };
    
    struct s2
    {
        
    	char a;
    	char c;
    	int b;//一共占8个字节空间
    };

### 四、修改默认对齐数 ###

像VS中默认对齐数是8，可能在某些情况下不适用，可以使用\#pragma这个预处理指令，改变默认对齐数。  
\#pragma pack(num)修改默认对齐数为num  
\#pragma pack( )取消修改

#include<stddef.h>
    
    #pragma pack(1)//修改默认对齐数为1
    struct S
    {
        
    	char a;
    	int b;
    	char c;
    };
    #pragma pack()//取消修改
    int main()
    {
        
    	struct S s = {
         0 };
    	s.a = 10;
    	s.b = 'm';
    	s.c = 3.14;
    	printf("%d\n", sizeof(struct S));// 未修改为：12
    	                                 // 修改后为：6
    	return 0;
    }

### 五、结构体传参 ###

struct S
    {
        
     int data[1000];
     int num;
    };
    struct S s = {
        {
        1,2,3,4}, 1000};
    
    
    void print1(struct S s)
    {
        
     printf("%d\n", s.num);//结构体传参
    }
    
    void print2(struct S* ps)
    {
        
     printf("%d\n", ps->num);//结构体地址传参
    }
    int main()
    {
        
     print1(s);  //传结构体
     print2(&s); //传地址
     return 0;
    }

**尽可能使用传址**：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，所以会导致性能的下降。

### 六、位段 ###

#### 1.位段的声明和结构是类似 ####

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

> 1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。  
> 2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

struct A
    {
                 //二进制
     int a:2;//  2个bit
     int b:5;//  5个bit
     int c:10;// 10个bit
     int d:30;// 30个bit
    };

#### 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 （属于整形家族）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。

![屏幕截图 2023-03-19 174617.png][2023-03-19 174617.png]  
下图左侧可看出其地址排布与上图排布一致  
![屏幕截图 2023-03-19 174543.png][2023-03-19 174543.png]

#### 3.位段的跨平台问题 ####

> 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）
> 3.  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。
> 4.  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。

**因此**：跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在

[b9d78c142b1a45c6ba7d65b8f8613a99.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/9923bf588ed94a438d2012060204c48c.png
[2023-03-18 212722.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/dc5859d1b4ad46089aded5fbc599ed43.png
[2023-03-18 220325.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/6fe3e638826947d881cd78d4039a16ed.png
[2023-03-19 174617.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/3b48b320b9f94b0bb91ddb12e38e8b12.png
[2023-03-19 174543.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/25/257006abcae248528e763833c4467df3.png