C语言自定义类型结构体与位段超详解
1. 结构体类型的声明
1. 1 结构体声明
格式如下：
struct tag
{
member - list;//结构成员，可以不止一个
}variable - list;//在这里可以直接创建结构体变量，可以用逗号隔开来创建多个，不能初始化例如描述一个学生：
struct student //这个结构体的名称
{ //以下是结构成员
char name[20]; //姓名
char sex[5]; //性别
int age; //年龄
char id[10]; //学号
}A, B; //声明结构体时创建了学生A和B，注意分号不能丢进行声明时，还可以使用 typedef 进行重命名：
typedef struct student
{
char name[20];
char sex[5];
int age;
char id[10];
}ST;//之后创建结构体变量时，就可以将 ST 作为类型使用了，注意这样就无法在声明结构体时创建变量了1. 2 结构体变量的创建和初始化
除了在声明时创建变量，还可以像创建int等其他变量一样创建并初始化结构体变量。
#include<stdio.h>
struct student
{
char name[20];
char sex[5];
int age;
char id[10];
}A, B;
void Print(struct student S)
{
printf("%s %s %d %s\n", S.name, S.sex, S.age, S.id);
}
int main()
{
//按照定义顺序初始化
struct student s1 = { "张三","man",15,"122111" };
Print(s1);
//按照指定顺序初始化
struct student s2 = { .age = 18,.id = "454541",.name = "fhvyxyci",.sex = "man" };
Print(s2);
return 0;
}1. 3 结构体的特殊声明
//匿名结构体变量
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。
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;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（使用 typedef ）重命名的话，基本上只能使用一次。
1. 3 结构体的自引用
1. 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（一种数据结构）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;//这里放上一个指针，就合理多了
};2. 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：定义结构体不要使用匿名结构体。
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;//这里要使用没有重命名的名字
}Node;2. 结构体内存对齐
2. 1 对齐规则
- 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
- 其他成员变量要对产到某个数字(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 该成员变量大小的最大值的较小值。 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
- 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。
来做几个练习巩固一下： 练习一：
#include<stdio.h>
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
return 0;
}首先 c1：根据对齐规则1，c1占1个字节，和结构体处于同一个地址。
然后 i ：根据对齐规则2，i需要对齐到相对结构体地址的偏移量为4的位置，所以i的起始地址相对结构体是4，目前结构体大小为8。
然后c2：占一个字节，结构体大小直接+1（任何偏移量都是1的倍数，所以不需要额外偏移）。
最后，根据对齐规则3， 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （以VS为例，8）与 该成员变量大小的最大值的较小值，这里显然对齐数是4，因此9的下一个对齐数的倍数是12，所以结构体的大小是12。
图解：
输出结果：
代码二：
#include<stdio.h>
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
return 0;
}c1不比多说，来看c2：char类型的大小是1，任何偏移量都一定是1的倍数，所以到了c2，结构体的大小是2。
接着看i：int变量的大小是4，2后面的最小的4的倍数是4，所以此时结构体的大小是8。
最后对齐数也是4，所以结构体的大小就是8。
图解：
输出结果：
代码三：
#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
return 0;
}首先d：double 类型为8个字节。
然后c：结构体大小+1。
然后i：9后面第一个4的倍数是12，所以从12开始向后+4。
最后对齐数：对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （8）与 该成员变量最大值的较小值（8），所以对齐数是8，最终大小就是16。
图解：
运行结果：
；练习四：
//结构体嵌套问题
#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
return 0;
}c1不再赘述，来看这个 s3:
s3的对齐数是8，所以s3的偏移量为8，上面我们已经算出了S3的大小是16，所以现在S4的大小是24。
因为24是8的倍数，所以d就再向后找8个地址，是32。
S4的偏移量是S4中所有除了S3以外的元素和S3的所有成员的大小中的最大值与默认对齐数8之间的较小值，是8，所以S4的大小是32。
图解：
输出结果：
2. 2 为什么存在内存对齐
- 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。
- 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：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};经过上面的计算，你会发现虽然这两个结构体的成员一样，但是大小却差的很多。
2. 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。
#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()//取消设置的对齐数，还原为默认
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%zd\n", sizeof(struct S));
return 0;
}结果是6：
说明对齐数是在结构体声明时计算的，而不是调用时。
尽管使用场景可能比较少，但是在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。
3. 结构体传参
#include<stdio.h>
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（可以理解为拷贝实参到形参），会有时间和空间上的系统开销。
传递一个结构体对象，结构体过大，参数压栈的的系统开销就大，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。
4. 结构体实现位段
4. 1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，但是有两个不同：
- 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;
};A就是一个位段类型。 那位段A所占内存的大小是多少？
是8。 我们来了解一下。
4. 2 位段成员的内存分配
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（比如上一行），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
#include<stdio.h>
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;
//空间是如何开辟的？
return 0;
}在VS上是这样开辟的：每个字节从右向左使用，如果下一个位段成员比较大，就舍弃该字节中剩下的比特位去开辟新的字节。 那么上面的那个8字节也就很好分析出来了。
4. 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。
4. 4 位段的使用
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比特位就能描述，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。
4. 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，一个字节内部的比特位是没有地址的。
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，只能先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。
#include<stdio.h>
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;
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