【C语言】结构体详解

这里主要讲一些结构体得进阶知识，如果想了解得更多可以结合这篇博客一起学习——初始结构体

一.结构体的基本知识

结构是一些值得集合，这些值称为成员变量。结构得每个成员可以是不同类型得变量。

二.结构得特殊声明

在声明结构得时候，可以不完全得声明。

例如：

//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;

• 此时定义得结构体变量x，结构体数组a，结构体指针变量p都可以完好得创建出来，但也只能使用这些变量，如果需要其它的变量只能继续在结构体的后边增加，否则只能使用单一的变量。
• 匿名结构体一般只能用一次，创造后使用的结构体变量只用在结构体末尾处已经声明好的变量，以后就不会再用。
  写道这里我们会发现，上面创建的两个结构体的成员变量是相同的，连成员变量的顺序都是相同的。那么问题来了，这两个结构体的类型是否相同？

想要探究这个问题，我们只需执行下面的操作即可：

//使用结构体指针变量p接收结构体变量x的地址，若能接收说明它们的类型是相同的
p = &x;

执行后，VS编译器给出如下警告：

"="两端的类型是不兼容的，证明虽然它们的结构体是相同的，但它们是不同的类型

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。

三.结构体的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢？

struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//这样写是否可以？

这么写明显是不对的，一个结构体类型中包含着一个该结构体类型的成员变量，这么一直下去该类型创建的成员变量的大小将无法确定，这明显是不符合C语言语法的。

1.正确的自引用

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

• 在结构体类型中创建该结构体类型的指针成员变量，用改指针指向同类型的结构体成员。

2.问题

在前段时间我学习数据结构时，写了一个非常经典的错误写法，这里写出来共大家参考。

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

• 使用typedef创建了结构体类型Nd，使用次类型名代替原来的结构体类型struct Node
  这是一个非常金典的错误写发，因为Nd的使用是在它的声明之前的，使用时编译器不会识别Nd，哪怕编译器没有报错并且可以使用

3.解决办法

//方法1
typedef struct Node Nd;

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

• 提前使用typedef将结构体类型名赋给Nd

//方法2
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

• 按部就班，在创建结构体指针成员变量时，使用最上面的结构体类型名创建。

结构体的自引用是在特殊情况使用的如：数据结构中的链表、二叉树等
如果对这方面的应用感兴趣可以点击链接了解一下线性表之单链表

四.结构体内存对齐

当我们明白了结构体的基本使用后，下一个问题就是：计算结构体的大小。
这是一个特别热门的考点：结构体对齐

1.偏移量

• 很多学科都包含了偏移量的知识，它的作用范围很广。（这里只研究结构体，其他做了解）
• 概念：存储单元的实际地址与其所在段的段地址之间的距离称为段内偏移，也称为“有效地址或偏移量”。
• 通俗的讲，一个结构体类型的变量创建后，该变量的起始位置，到它所含的结构体成员变量的起始位置之间的距离（字节），就是该结构体成员变量的偏移量。

通过下面一个例子你就能明白：

struct text
{
	int a;
	char b;
}text;

我们创建了结构体类型变量text，方便求成员变量a和b的偏移量。

1. a是第一个成员变量，所以它的偏移量就是0
2. b是第二个成员变量，在它之前的变量a为int类型占4个字节，所以b的偏移量就是4.
   我们就能得到该结构体的大小为5

• 当然结构体的内存对齐绝不是这么简单

2.offsetof宏

offsetof(type,member)

• 此函数可以返回数据结构或联合类型中成员的偏移量（以字节为单位）
• type：结构体类型（这里之研究结构体，type还可以表示其他类型）
• member：属于对应类型的成员
  拿人我们一起看一下下面结构体类型的偏移量：

struct S1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

int main()
{
	struct S1 s1;
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, a));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, b));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c));

	return 0;
}

a时第一个元素，偏移量为0，而b和c的偏移量为什么时这样呢？
着源于结构体的对齐规则

3.结构体对齐规则

1. 第一个成员在与结构体偏移量为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。
   注意：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默认的对齐数为8，Linux下没有默认对齐数（对齐数为结构体成员自身的大小）
3. 结构体总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）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。

• 这里对齐数不能理解为偏移量，偏移量时从起始位置到目标位置的字节数，对齐数又成员变量类型和编译器默认值决定。

看了这些规则后，让我们接着上面的问题继续分析

a：是第一个成员，char类型只占一个字节
b：不是第一个成员，int类型占4个字节。按上边的规则，b的偏移量是某个数字（对齐数）的整数倍的地址处，4小于8（编译器默认对齐数），所以对齐数是4，要偏移到4的整数倍处，此时的偏移量为4的地址是空的，该位置又符合4的整数倍这一要求。
c：b从偏移量为4的地址处开始，一直到7，而c的类型为char占1个字节，所有数字都是1的整数倍，所以偏移量是8.
从0开始，此时一共使用9字节空间。
而结构体的大小又是最大对齐数的整数倍，a——1 ， b——4 ，c——1，
最大对齐数为4，而9不是4的整数倍，需要继续偏移，最终，该结构体的大小为12.

//查看struct S1类型的大小
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

4.练习

//练习1
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));

• 结构体S1（上面举例使用的结构体）和S2的结构体成员变量类型相同，但结构体大小不同，原因在于结构体成员变量的位置不同，我们写结构体时，可以将占用空间小的类型放在前面，更加节省空间。

//练习2
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));

//练习3-结构体嵌套问题
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

• 以练习3中struct S3为例，结构体中成员变量的地址时由底到高的
  

五.为什么存在内存对齐

这里官方没有给出原因，大部分参考书给出的原因如下

1. 平台原因（移植原因）
   不是所有的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特点的地址处存储特点类型的数据，否则会抛出异常。

   比如因为硬件的原因当我们要定义一个整型的变量时，要求它必须存储在偏移量为4的倍数的位置，这样它的对齐数就只能是4.（基于一些特殊的平台）

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。
   为了访问未对其的内存，处理器需要作两次访问；而对齐的内存仅需要一次访问。

   由于CPU和数据存储方式的原因，当一个整数，放在偏移量为1的位置上时，CPU需要访问两次，才能完全取出数据。大家要是对这个原理感兴趣，可以看一下我总结的这篇博客 探索未对齐内存CPU的访问逻辑

总体来说：

结构体的内存就是拿空间换取时间的做法

六.修改默认对齐数

使用#pragma预处理指令改变默认对齐数。

• 设置默认对齐数：#pragma pack() —— 括号内设默认对齐数的值，值为整数，不能为空
• 回复默认对齐数：#pragma pack() —— 括号内什么都不写

#include 
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
//输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

七.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;
}

上述代码哪一种传参方式更好？

• 地址传参更好
  原因

函数传参是，参会需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
如果传递一个结构体变量值时，如果该结构体变量过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。
简单的说，传结构体变量过去，形参会复制一份实参的数据，当数据过大时，计算机性能就会下降。
而传地址，只是传递过去一个地址，在32位平台下，地址的大小时固定的，占4个字节。

八.总结

• 在学习和做题过程中结构体是非常重要的，每当遇到一个对象有多种特性的问题时，都可以用结构体来解决。
• 该博客结构体的内存对齐那一块是面试时的高频考点，务必要掌握。
• 结构体应用在学校生涯中应当是数据结构，在学习数据结构之前大家要一起加油打好基础。