C语言——M/自定义类型：结构体
一. 结构体类型的声明
1、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。
区别：数组是一组相同类型元素的集合。
1.1.1 结构的声明
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1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include <stdio.h>
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
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);
//printf("%s %d %s %s\n", s2.name, s2.age, s2.sex, s2.id);
return 0;
}2、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：
//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;
struct
{
int a;
char b;
float c;
} x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}* p;
int main()
{
p = &x;//?
return 0;
}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。
//重命名
typedef struct
{
int a;
char b;
float c;
} S;
int main()
{
S s1 = { 0 }, s2 = {0};
return 0;
}3、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;//存放节点地址
};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。
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;二. 结构体内存对齐
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。
1、对齐规则
⾸先得掌握结构体的对⻬规则：
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）
//宏 //offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量 #include <stddef.h>
// 练习1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));解析：
#include <stdio.h>
//宏
//offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
#include <stddef.h>
struct S1
{
char c1;
char c2;
int i;
};
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
struct S1 s1 = {0};//8
struct S2 s2 = { 0 };//12
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//8
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c1));
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c2));
printf("%zd\n", offsetof(struct S1, i));
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c1));
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, i));
printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c2));
printf("%zd\n", offsetof(struct S4, c1));
printf("%zd\n", offsetof(struct S4, s3));
printf("%zd\n", offsetof(struct S4, d));
return 0;
}
2、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。
//第一个效率不高
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
//第二个既能节省空间又能提高效率
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。
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⻬数。
#include <stdio.h>
#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
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。
三、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)
//void print2(const struct S* ps)
//可以进行保护
{
printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
print1(s); //传结构体
print2(&s); //传地址
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，所以会导致性能的下降。 结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。
四、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。
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。 ⽐如：
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
//_a代表的是变量名
//2：代表的就是比特位A就是⼀个位段类型。 那位段A所占内存的大小是多少？
printf("%d\n", sizeof(struct A));//8个字节 相较于结构体少了一半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。
//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 = 8;
s.c = 3;
s.d = 4;
printf("%d\n", sizeof(s));
return 0;
}
//空间是如何开辟的
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。 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。
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。
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
//正确的⽰范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = b;
return 0;
}