【C语言】结构体

zxctscl

发布于 2024-01-23 08:29:20

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1. 前言

在C语言中，有两种类型，一种是内置类型，可以直接使用，包括char short int long long long float double;一种是自定义类型，当内置类型不能满足时，支持自定义一些类型，像结构体、枚举、联合体。这次先来看看结构体。

2. 结构体类型的声明

2.1 结构体的概念

结构体是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构体里面每个成员可以是不同类型的变量。

2.2 结构的创建

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

这里的tag可以换成自己指定的名字，member-list可以换成多个成员变量，注意大括号外面必须有分号。

举个例子：描述一个学生

struct Stu
{
 char name[20];//名字
 int age;//年龄
 char sex[5];//性别
 float score;//成绩
 }; //分号不能丢

定义结构体变量：

全局变量

struct Student
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	float score;
} s1, s2, s3;//s1, s2, s3 是三个结构体变量 - 全局变量

局部变量

struct Student
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	float score;
}；
int main()
{
    struct Student s1, s2, s3;//局部变量
    return 0;
}

2.3 特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。比如：

struct 
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	float score;
}；

这种叫匿名结构体。当我们想使用指针来给有相同成员变量的匿名结构体，赋值时，发现会失败。

struct
{
	char name[20];
	char author[12];
	float price;
}b={0};

struct
{
	char name[20];
	char author[12];
	float price;
}* p;

int main()
{
	p = &b;//不建议这样写
	
	return 0;
}

在编译器来看它们是不相同的指针类型。

注意：

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。

2.4 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;//数据
	struct Node next;//下一个节点
};
int main()
{
	struct Node n;
	return 0;
}

那么这里的n占多少个字节？这里一个结构体里面有int占4个字节，struct Node next存放下一个节点，里面有int占4个字节，一直重复，就不能算出。就比如在一个房子子里放同样大小的房子，是放不进去的。

但是使用结构体指针就可以解决这个问题。

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

在结构体自引用使用的过程中，夹杂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。所以定义结构体不要使用匿名结构体了。

3. 结构成员访问操作符

结构成员访问操作符有两个⼀个是 . ，⼀个是 -> . 形式如下：

结构体变量.成员变量名
结构体指针—>成员变量名举个例子：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Stu
{
 char name[15];//名字
 int age; //年龄
};
void print_stu(struct Stu s)
{
 printf("%s %d\n", s.name, s.age);
}
void set_stu(struct Stu* ps)
{
 strcpy(ps->name, "李四");
 ps->age = 28;
}
int main()
{
 struct Stu s = { "张三", 20 };
 print_stu(s);
 set_stu(&s);
 print_stu(s);
 return 0;
}

4. 结构体内存对齐

怎么计算结构体的大小呢？这里需要先了解结构体内存对齐

4.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

结构体的第⼀个成员对齐到相对结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
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变量大小的较小值。 VS中默认的值为8 在 Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
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。
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。来看看这个例子：

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};

struct S2
{
	char c1;
	int a;
	char c2;
};


int main()
{
	struct S2 s2 = { 'a', 100, 'b'};
	printf("%zd\n", sizeof(s2));

	struct S1 s1 = { 'a', 'b', 100 };
	printf("%zd\n", sizeof(s1));
	return 0;
}

这两个结构体里面的成员变量明明都一样，为什么它们结构体大小确不相同呢？对于s1而言:char c1,占一个字节，而VS中默认的值为8，1小，所以选择1，而结构体的第⼀个成员对齐到相对结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。所以c1就占了0。 char c2,占一个字节，而VS中默认的值为8，1小，所以选择1；因为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。这里1刚好就是1的整数倍。 int a，占4个字节，而VS中默认的值为8，4小，所以选择4；因为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，4的整数倍就是4，然后从4开始占4个内存空间。总的用了8个地址空间

最后最后因为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，这里最大的为4，所以就是8

对于s2而言: char c1和s1中的一样。 int a，占4个字节，而VS中默认的值为8，4小，所以选择4；4的整数倍就是4，然后从4开始占4个内存空间。 char c2,占一个字节，而VS中默认的值为8，1小，所以选择1；这里8刚好就是1的整数倍。总的共用了9个最后因为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，这里最大的为4，所以最后结构体的大小就是12

对于嵌套

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};

int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
    printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

对于s3而言:很简单，像上面两个那种就行。

但对于s4而言：它嵌套了s3，它有一个规定：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。所以这里的s3就从8开始，然后占16个地址空间，到23， double d，占8个字节，而VS中默认的值为8，所以选择4，就从24开始。一共32，恰好是8的倍数。所以最后结果就是32。

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。

这里如果不存在内存对齐，当在内存中拿数据时，如果一次性取的是4个字节，在第一个图中那么就要读两次。当浪费了一些空间，对齐时，一次读4个字节时，对a的读取，一次就可以了。

4.3 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()取消设置的默认对齐数，还原为默认。举个例子：

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对⻬数，还原为默认
int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(struct S));
    return 0;

5. 结构体传参

结构体传参的时候，要传结构体的地址。因为：

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。看一个示例:

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};

void print1(struct S t)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", t.data[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("num = %d\n", t.num);
}

void print2(const struct S* ps)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->data[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("num = %d\n", ps->num);
}

int main()
{
    struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };

    print1(s);//传递结构体变量 - 传值调用
    print2(&s);//传递结构体变量的地址 - 传址调用

    return 0;
}

这里⾸选print2函数。

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：

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。比如

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

举个例子：

struct A
{
    int _a : 2;//只占2个二进制位
    int _b : 5;//只占5个二进制位
    int _c : 10;//只占10个二进制位
    int _d : 30;//只占30个二进制位
};

struct B
{
    int _a;
    int _b;
    int _c;
    int _d;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct A));
    printf("%d\n", sizeof(struct B));

	return 0;
}

那么A的大小是怎么计算的呢？

6.2 位段的内存分配

位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
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。
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;
};

int main()
{
    struct S s = { 0 };
    s.a = 10;
    s.b = 12;
    s.c = 3;
    s.d = 4;

    printf("%d\n", sizeof(struct S));

    return 0;
}

当开辟了内存后，内存中的每个比特位从右向左使用。在前面使用后，剩余的空间不足下一个成员使用的时候，剩余空间就不用了。所以内存中应该是下面这样的存储。

发现果然是这样

6.3 位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
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。
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。
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。

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

有问题请指出，大家一起进步！

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原始发表：2024-01-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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