初步认识结构体

hello，hello，各位小伙伴，本篇文章跟大家一起学习结构体，并跟大家一边做题一边进行学习和理解。感谢大家对我上一篇的支持，如有什么问题，还请多多指教！

如果本篇文章对你有帮助，还请各位点点赞！！！

话不多说，正题开始

关于结构体的地定义和初始化在操作符详解有详细讲解

所以本文章将会从继后面继续深入讲解，如果小伙伴忘记了可以先去回顾一下

1.匿名结构体

所谓匿名就是不显示名字，但这里的匿名有点不一样，是完全没有名字，看个例子：

struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}x;

struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}a[20], *p;

但是匿名结构体只能使用一次，并且并且在创建变量时只能够像上述例子一样创建（毕竟没有名字)：

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。

匿名结构体都没有名字（类型），那是不是所有匿名结构体的类型都一样啊？

按照上述例子，请看如下代码：

p = &x;

这样写合法吗？答案是：不！

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。

2.结构体自引用

相比在学习结构体时会有小伙伴想，如果在结构体成员列表里引用结构体本身会怎样？

这就是结构体自引用，如：

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

但是再仔细想一下，这样写真的可以吗？这样写似乎在不断的创建结构体，永无止境了

没错，这样写是不行的，如果想引用结构体本身，并不一定要在结构体里创建结构体，我们学过的指针可以帮助我们访问结构体自身，正确写法应该是这样：

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

再来看看如下代码：

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

在结构体自引用时对匿名结构体重命名，这样写可行吗？

答案是否定的，正如上述例子，Node是匿名结构体重命名后的名字，但是上述代码在重命名之前就已经使用了Node，那么编译器就不认识这个Node，就会报错，解决这个问题的方案就是：定义结构体不要使用匿名结构体了

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

关于结构体的基本使用就结束了，接下来就是如何计算结构体的大小了

3. 结构体的大小

int的大小为4个字节，short为2个字节....那么结构体呢？这就有点复杂了，我们一步一步来

3.1 对齐规则

首先我们要明白对齐规则：

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。

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⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

干说难懂，上代码：

注意：这了所用的编译器为VS2022

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

该结构体大小为多少呢？看图解：

好，我们再来看如下练习：

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

该结构体大小为多少呢？看图解：

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

该结构体大小为多少呢？看图解：

再来看如下练习：打印结果是什么呢？

struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

答案是：32

3.2 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。

3.2.1 如何节省空间？

我们来看看如下代码：

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

通过计算，这两个结构体虽然成员列表的内容相同，但是二者的大小并不一样，struct S2 比 struct S1更小，所以节省空间方法：

让占用空间小的成员尽量集中在⼀起

4. 修改默认对齐数

当结构体在对齐方式不合理时，我们可以自己更改默认对齐数

#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;
}

输出结果是：6

根据选取对齐数规则：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。

因为我们默认对齐数被修改成1，而1是最小的正整数，所以我们会一直以1作为对齐数

5. 结构体传参

传参我们有学过传值传参和传址传参两种方式，同样，结构体传参也有这两种方式，那么这两种有什么区别呢？哪种有会更好呢？看如下代码：

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;
}

打印结果都一样，但是是否二者都一样呢？答案是否定的

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？答案是：首选print2函数。

我们知道，传值传参中的形参，是实参的一份临时拷贝，而传址传参是直接访问该结构体地址，不需要再创建临时变量，所以速度上会比传值传参更快

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。

6. 结构体实现位段

注意：以下测试全部在VS2022环境下实现

6.1 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。

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？答案是：8字节

其实位段就是为了节省空间的，冒号后面的数字就是对应变量占多少个比特位

2+5+10+30 = 47，这么看来是不是非常节省空间，那是否就可以一无止境的节省?

那肯定不是，从答案是8字节就可以看出，并非是无止境的节省空间，47个比特位用6个字节即可，答案却是8字节，这和位段的内存分配有关

6.2 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。

第2点的意思就是：比如int 类型不够存储时，内存会以4个字节（int 类型占4个字节）来开辟新内存，当char 类型不够存储时，内存会以1个字节（char 类型占1个字节）开辟新空间，干说难懂，上代码：

就如上一题

struct A
{
 int a:2;
 int b:5;
 int c:10;
 int d:30;
};

好，我们来看一下练习:

struct A
{
 char a:2;
 char b:5;
 char c:7;
 char d:4;
};

那我们加点料：

struct S
{
 char a:2;
 char b:5;
 char c:7;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

空间是如何开辟的？我们先分析一下：（VS2022环境下测试）

答案正确

6.3 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。（取决于编译器）

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。（取决于编译器）

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。

举个例子：

#include<stdio.h>
struct S
{
 char a:2;
 char b:5;
 char c:7;
 char d:4;
}s;
int main()
{
    scanf("%d",&s.c);//是错误的
    //这才是正确写法    
    s.c = 10;
    return 0;
}

好啦，本章对于结构体的学习就先到这里，如果有什么问题，还请指教指教，希望本篇文章能够对你有所帮助，我们下一篇见！！！

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