⾃定义类型：结构体

自定义类型：结构体

我们前面学习过很多类型对数据进行描述和定义，比如一个学生的身高我们可以用整型（int）来描述，对学生的性别可以用字符型（char）来描述，但是我们发现C语言中的类型定义不能满足我们的需求，我们就想有没有一种类型，可以我们自己定义，自己来使用呢？

1. 结构体类型的声明

例如描述⼀个学⽣：

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

2. 结构体变量的创建和初始化

#include 
 struct Stu
 {
 char name[20];//名字 
int age;//年龄 
char sex[5];//性别 
char id[20];//学号 
};
 int main()
 { //按照结构体成员的顺序初始化 
	struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
 	printf("name: %s\n", s.name);
 	printf("age : %d\n", s.age);
 	printf("sex : %s\n", s.sex);
 	printf("id  : %s\n", s.id);
 	//按照指定的顺序初始化 "⼥" 
 	 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex ="女"；}
    printf("name: %s\n", s2.name);
 	printf("age : %d\n", s2.age);
 	printf("sex : %s\n", s2.sex);
	printf("id  : %s\n", s2.id);
	return 0;
 }

初始化有两种方式：
1.根据结构体成员的顺序初始化。
2.根据特定顺序对成员初始化。

2.1 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

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

上述两端代码对结构体的定义没有带结构体标签（tag），会造成一下问题，我们通过代码来查看问题。

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。

1.2结构体的自引用

我们现在学的结构体是为了后面的数据结构做铺垫，在数据结构中，有一种结构叫做顺序表，顺序表的存储有两种方式：
1.通过数组来存储，此时数据在内存空间中是连续存放的。
2.通过链表的方式存储，数据在内存空间中的存储不是连续的。
为了方便前面的数据可以找到后面的数据，我们引入了结点的概念，我们知道通过地址可以找到一个数据的位置，那么我们的结点就是结构体的运用。
其最基本的运用如下：

错误示范1：

struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
如果代码正确，那么sizeof(struct Node)的大小是多少。
我们发现如果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。

错误示范2：

typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
这里就产生了是先有鸡还是先有蛋的问题。
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：定义结构体不要使⽤匿名结构体了
typedef struct Node
{ int data; struct
Node* next;
} Node;

3. 结构成员访问操作符

结构体成员访问操作符有两种
一种是点操作符
.
操作符结构体变量直接可以访问结构体成员。

struct Stu
 {
	 char name[20];
	 int age;
};
 int main()
 {
	struct Stu s = { "张三", 20 };
 	printf("name: %s\n", s.name);
 	printf("age : %d\n", s.age);
 }

另一种是箭头操作符
->
通过结构体指针对结构体成员的访问

struct Stu
 {
 char name[20];
 int age; 
};
 int main()
 { 
	struct Stu s = { "张三", 20};
	struct Stu * p=&s;
 	printf("name: %s\n", p->name);
 	printf("age : %d\n", p->age);
 }

4. 结构体内存对⻬

我们知道C语言中的类型是有大小的，单位是字节，那么我们是否可以计算结构体的大小呢？

我们发现结构体中的类型一样，但是计算出来的字节大小却不一样，这是为什么呢？
我们此处引出一个新的知识：结构体内存对齐

4.1结构体的对齐规则：

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。

此处插入一个小知识点：offsetof可以计算结构体成员偏移量的大小。

简单来运用一下来验证我们的规则。

我们发现和我们根据规则得到的结果是一样的，结构体在内存中的存储存在对齐。
图解：

4.2为什么存在内存对齐？？

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：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。

4.3 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⻬数。

#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

5. 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;
 }

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。
所以结构体传参的时候，要传结构体的地址。

6. 结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能⼒。

6.1 什么是位段

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 ，
   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。

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

6.2 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。

我们来讨论一下下面代码中位段是如何内存分配的？？

 //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;
	 printf("%d ", sizeof(s));
 }

打印结果发现，结构体大小为3个字节和我们以为的3+4+5+4=16/8=2个字节不一样那么位段中空间是如何开辟的呢？？

图解：位段中空间开辟的原理

我们发现位段的存储中从低地址往高地址开始存储，
当一个字节中剩余的比特位不够放下另外一个位段时，会重新开辟一个字节的空间存放。

6.3 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。

6.4 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。

6.5 位段使⽤的注意事项

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
 
 int b = 0;//正确的⽰范
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
 }