深入解析自定义类型：结构体与位段

前言 在前面的内容中已经写了一些结构体的内容，这里再深入讲解一下： 初识结构体，整型提升及操作符的属性

一、结构体类型的声明

补充一下：其实数组也是自定义的类型

int arr[5];
int arr[4];
char arr[5];
//它们都是不同的数据类型

1.1 结构体的创建和初始化

描述一个学生：

在这里插入图片描述

struct Stu 设计一个结构体 struct Stu s1 创建一个结构体变量s1

1.2 结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

//匿名结构体类型 - 只能使用一次，后期不能使用这个类型再创建变量
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x, y, z;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*ps;

如果后期使用这个类型再创建了变量，下面的代码就不合法了。

在这里插入图片描述

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。这里的重命名是怎么搞的呢？

typedef struct
{
	int a;
	int b;
	float c;
}S;

该代码的意思是给该匿名结构体类型重新起个名字叫S。 但我感觉这纯多余了，有种脱裤子放屁的感觉。

1.3 结构体的自引用

在结构体中能否包含一个类型为该结构本身的成员呢？ 说这里就要先说些数据结构的内容 数据结构：描述的是数据在内存中存储的结构 数据结构又分为线性数据结构，树形数据结构，图…

线性数据结构：像线条一样将数据串起来（类似于数组存储数据的形式，用内存中一块连续的空间来存），在数据结构中这叫顺序表

在这里插入图片描述

也有另一种情况，数据是随便存的

在这里插入图片描述

但要通过前一个数据找到下一个数据，像链条一样串起来，在数据结构叫链表，在链表中把每个数据叫一个节点，有些兄弟就猜开始猜了，可以把数据结构封装成一个结构体，这些节点之间的寻找就是在一个结构体里引用另一个结构体

在这里插入图片描述

struct Node next;即下一个节点 这是当然不可以的

struct Node包含四个字节的data变量和它自己，它自己里又包含四个字节的data变量和它自己，节点很多时就无限递归下去了，编译器无法算清Node到底算几个字节。

这就可以使用指针来找到下一个字节了

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

这样起码结构体的大小就是固定的了。

这就是结构的自引用

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，如下面的代码

//right
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;
//err
typedef struct Node
{
	int data;
	Node* next;//此时还没有重命名完成
}Node;//这里才完成了重命名
//err
typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;//这里才完成了重命名

第二个和第三个的错误是因为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。

二、结构体内存对齐（面试热门考点）

这里是面试的热门考点

在这里插入图片描述

如图计算结构体大小的时候，并不是按照数学思路来的

这里如果想要知道结构体中变量c1，c2，n在变量中的存储方式是什么样的，就必须使用一个函数： offsetof（offset：偏移量）

在这里插入图片描述

参数：type：结构体类型。member：成员名 返回值：返回一个size_t类型的偏移量 头文件：#include<stddef.h>

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offsetof算的是每个结构体成员相较于它起始位置的偏移量是多少（单位字节），偏移量知道了，就知道c1，n，c2在内存中的位置了。

这里空下来的空间就是结构体变量的对齐规则了。

2.1 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。

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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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

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结构体的整体大小就是最大对齐数8的倍数，而非16的倍数。

2.2 为什么存在内存对齐

大部分资料是这么解释的：

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；而对齐地内存访问仅需要一次访问。

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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，如图中绿框，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字节的内存块中。如图中红色方块，要读取8字节需读取两次，将数据拼起来才能读到想要的数据。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

所以在设计结构体的时候，可以尽量让占用空间小的成员集中在一起。 这就是为什么前面的程序S2比S1占用的空间更小的原因

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。

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三、结构体传参

在这里插入图片描述

虽然上面两种传参模式都可以正常打印 但是首选传参还是print2

原因： 函数传参的时候，参数是需要压栈的，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（一个地址非4即8个字节）

四、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，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. 位段的成员名后面有一个冒号和一个数字

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

数字表示这个成员要占用的比特位的数量 所以可以看出位段可以节省空间，但同时也有了约束，每个成员所占用的空间比较小，能表示的范围也比较小，例如：这里_a成员变量只能表示4种值，00，01，10，11。 所以在使用位段之前要提前知道成员所占用空间大小

这里把对应位段和结构体的空间大小打印出来比较：

在这里插入图片描述

根据前面的分析，struct A的大小应该6个字节就够用，这里却有8个字节，说明位段和结构体类似，都有相应的浪费的空间。

4.2 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）或者一个字节（char）的方式来开辟的（按需分配，先分配一个字节或四个字节，不够再加一个字节或4个字节）。
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。

这里用一串代码来详细分析一下位段内存的分配

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

这里给位段分配内存，一共16个bit位，分配2个字节就够，但这里分配了3个字节，3字节的内存分配如上图

位段的不确定性很多

1. 一个字节（整型）的内存中，到底是从左向右使用，还是从右向左使用不确定。假设从右向左使用，VS上正确
2. 剩余的空间不能满足下一个成员的时候，是否浪费，不确定，假设浪费，VS上正确

下图给成员变量初始化数据加以验证

在这里插入图片描述

这里10的低8位的二进制序列：00001010，a中存低三个比特位010 12的二进制序列 00001100，b中存100 3的二进制序列 00000011，c中存011 4的二进制序列 00000100，d中存100

在这里插入图片描述

数字填进去就是这样的

0110 0010 0000 0011 0000 0100
转化为16进制
0x 6   2   0    3    0    4

在这里插入图片描述

也确实如假设所得

上面的8个字节的内存分布如图：

在这里插入图片描述

4.3 位段的跨平台问题（因为标准尚未定义，不同的平台可能有不同的表现）

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的
2. 位段中最大的数目不能确定（例如int类型，在早期的16位机器上，int是2个字节，在现在常见的机器上（32位/64位机器），int是4个字节，int是两个字节的话 int n：27会出问题）
3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，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：和结构体相比，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 位段的应用

下图时网络协议中，IP数据报的格式，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。

在这里插入图片描述

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，那么这些位置处时没有地址的。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);err

	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa.b = b;
	return 0;
}

总结

以上就是结构体与位段的全部内容了，小编在此友情提示，如果有帅哥或者美女要选驾校的话，慎重选择吧，多花点钱也好，毕竟要学可能不止一年，小编最近被倒霉驾校搞得精神萎靡 ）