零基础自学C语言|自定义类型：结构体

✈结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里稍微复习一下。

🚀结构体回顾

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

🪂结构的声明

例如：

struct stu
{
	char name[10];//名字
	int age;//年龄
	char sex;//性别
}zhangsan;

🪂结构体变量的创建和初始化

struct stu
{
	char name[10];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
};
 
int main()
{
	//按照顺序初始化
	struct stu s = { "张三",30,"男" };
	printf("name:%s\n", s.name);
	printf("age:%d\n", s.age);
	printf("sex:%s\n", s.sex);
	//按照指定顺序初始化
	struct stu s2 = { .age = 20,.name = "李四",.sex = "男" };
	printf("name:%s\n", s2.name);
	printf("sex:%s\n", s2.sex);
	printf("age:%d\n", s2.age);
	return 0;
}

🚀结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。
比如：

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

上面的两个结构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。

🚀结构的自引用

在结构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

✈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。
这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

🚀对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则:
1.结构体的第一个成员对齐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结构体成员变量大小的较小值。VS中默认的对齐数为8。  -Linux中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3.结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）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齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

练习：

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

解析：

int main()
{
	//练习1
	struct S1
	{
		
		char c1;//char类型占1字节偏移量为0
		int i;//int类型占4字节，因此对齐数为4，由于第二条对齐规则，偏移量为4
		char c2;//char类型占1字节，偏移量为8
		//由于第三条对齐规则，结构体类型的大小为12
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

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

 解析：

int main()
{
	//练习2
		struct S2 
	{
		char c1;//char类型占1字节偏移量为0
		char c2;//char类型占1字节，由于第二条对齐规则，偏移量为1
		int i;//int类型占4字节，由于第二条对齐规则，偏移量为4
		//结构体类型的大小为8
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

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

解析：

int main()
{
	//练习3
	struct S3
	{
		double d;//double类型占8字节偏移量为0
		char c; // char类型占1字节，因此对齐数为1，偏移量为8
		int i;//int类型占4字节，因此对齐数为4，由于第二条对齐规则，偏移量为12
	};//结构体类型的大小为16
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
}

int main()
{
	//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;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

解析：

int main()
{
	//练习4-结构体嵌套问题
	struct S3
		{
			double d;//double类型占8字节偏移量为0
			char c; // char类型占1字节，因此对齐数为1，偏移量为8
			int i;//int类型占4字节，因此对齐数为4，由于第二条对齐规则，偏移量为12
		};//结构体类型的大小为16
	struct S4
	{
		char c1;// char类型占1字节，因此对齐数为1，偏移量为0
		struct S3 s3;//struct S3类型占16字节，因此对齐数为8，由于第二条对齐规则，偏移量为8
		double d;//double类型占8字节，因此对齐数为8，由于第四条对齐规则，偏移量为24
	};//结构体类型大小为32
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

🚀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齐。原因在于，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。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齐成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：结构体的内存对齐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，例如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。

🚀修改默认对齐数

#pragma这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

#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，还原为默认
int main()
{
	printf("%d", 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。

✈结构体传参

struct S
{
	char name[10];
	int age;
	char sex[5];
};
 
void print1(struct S s)
{
	printf("%d", s.age);
}
 
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%d", ps->age);
}
 
struct S s = { "张三",10,"男" };
 
int main()
{
	print1(s);
	print2(&s);
	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，所以会导致性能下降。
结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

✈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。

🚀什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同:

• 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。
• 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

例如：

struct s
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 8;
	int d : 10;
};

A就是一个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少？

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct s));
	return 0;
}

🚀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。

struct S {
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

🚀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剩余的位时，是舍弃
剩余的位还是利用，这是不确定的。

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。

在VS中：
1. int 位段被当成有符号数

2.位段中的成员还是从右向左分配

3.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剩余的位时，则舍弃
剩余的位

🚀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。

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