C语言自定义类型：结构体的使用及其内存对齐【超详细建议点赞收藏】

news2024/10/6 6:51:12

目录

  • 1. 结构体类型的声明
    • 1.1 结构的声明
    • 1.2 结构体变量的创建和初始化
    • 1.3 结构的特殊声明---匿名结构体
    • 1.4 结构的自引用
  • 2.结构体内存对齐（重点！！）
    • 2.1 对齐规则
    • 2.2 例题讲解
    • 2.3 为什么存在内存对齐？
    • 2.4 修改默认对齐数
  • 3. 结构体传参

1. 结构体类型的声明

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。

1.1 结构的声明

在这里插入图片描述
注意:

  1. 成员列表可以是不同类型的变量；
  2. 成员后一定要有分号；
  3. 花括号后也有一个分号。

例如描述一个学生：

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char tele[12];//电话
	char sex[3];//性别
};//分号不能丢

注意：上述代码没有创建变量，也没有初始化，只是声明了一个结构体类型，就像int,float一样，只是一种类型。

1.2 结构体变量的创建和初始化

接下来我们可以用结构体类型创建变量

方式1：
声明类型的同时创建，这是全局变量

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char tele[12];//电话
	char sex[3];//性别
}s1,s1;

方式2：
我们也可以在函数内部创建局部变量

# include <stdio.h>

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char tele[12];//电话
	char sex[3];//性别
};

int main()
{
	struct Stu s3;//s3是局部变量

	return 0;
}

我们再对结构体变量进行初始化：
方式1：直接初始化

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1 = { 2,3 };


 struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
 }s1 = { "zhangsan",27 };

方式2：也可以再函数内部进行初始化

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
};

int main()
{
	struct Stu s1 = { "zhangsan",24 };

	return 0;
}

当然，也有结构体的嵌套：

struct score
{
	int n;
	char ch;
};

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	struct score s;//嵌套一个结构体变量
};


int main()
{
	struct Stu s1 = { "zhangsan",24 ,{45,'a'} };

	return 0;
}

我们也可以将其打印出来：

struct score
{
	int n;
	char ch;
};

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	struct score s;
};


int main()
{
	struct Stu s1 = { "zhangsan",24 ,{45,'a'} };

	printf("%s %d %d %c\n", s1.name, s1.age, s1.s.n, s1.s.ch);

	return 0;
}

打印结果：
在这里插入图片描述

1.3 结构的特殊声明—匿名结构体

在声明结构的时候，可以不完全声明：

struct 
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char tele[12];//电话
	char sex[3];//性别
};

上面的结构在声明时省略了结构体标签，我们称为匿名结构体。

注意：匿名结构体只能通过创建全局变量使用一次！！

# include <stdio.h>

struct 
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char tele[12];//电话
	char sex[3];//性别
}s1;

int main()
{

	return 0;
}

1.4 结构的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢？比如，定义一个链表的结点：

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

上述代码正确吗？如果正确，那么sizeof(struct Node)是多少呢？
仔细分析，其实是不行的，因为⼀个结构体中再包含⼀个类型的结构体变量，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;
};

这样我们就把一个结点分成两部分，一部分存放数据，叫数据域，另一部分存放下一个结点的地址，叫指针域。

在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结体类型重命名，也容易引入问题，看看下面的代码，可行吗？

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

这种写法语法是不支持的。
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，这就产生了"先有鸡还是先有蛋"的问题，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了。

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

2.结构体内存对齐（重点！！）

上面我们了解了结构体的基本使用。
接下来我们再讨论一个问题 ：计算结构体的大小。

2.1 对齐规则

首先要知道结构体的对齐规则：

  1. 第一个成员在结构体变量偏移量为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。
    注意：
    (1) 对齐数=编译器默认的对齐数与该成员大小的较小值
    (1)VS中默认值为8（注意：其他编译器是没有默认对齐数的，对齐数就是自身大小。）

  3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

  4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐的整数倍处。
    结构体的整体大小就是所有最大对齐数的（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

2.2 例题讲解

例1：

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	struct S1 s1;
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	
	return 0;
}

输出结果：
在这里插入图片描述

画图解释：
在这里插入图片描述

例2：

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	struct S2 s1;
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	
	return 0;
}

输出结果：
在这里插入图片描述

画图解释：
在这里插入图片描述
例3：

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	struct S3 s3;
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	
	return 0;
}

输出结果：
在这里插入图片描述

画图解释：
在这里插入图片描述
例4：结构体嵌套问题

#include <stdio.h>

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

int main()
{
	struct S4 s4;
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

	return 0;
}

输出结果：
在这里插入图片描述

画图解释：
在这里插入图片描述

2.3 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。

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。
如例1和例2，s1和s2的成员一模一样，但两者所占空间大小却不同。

2.4 修改默认对齐数

  • #pragma : 预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。
  • 使用时要引用头文件<stddef.h>
  • 注意：一般修改的对齐数都为2的n次方。不会修改为1，3，5……或负数。

例如还是用例1来说明：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma()//取消设置的对齐数，还原为默认

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
}

输出结果：
在这里插入图片描述
修改之前大小是12个字节，修改后变成了6字节。

3. 结构体传参

方式1：传值调用。访问结构体时用点（.)操作符。

#include <stdio.h>

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

void print1(struct S ss)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("%d ", ss.data[i]);
	}
	printf("%d\n", ss.num);
}

int main()
{
	struct S s = { {1,2,3},200 };
	print1(s);  //传值调用，直接传变量名
	
	return 0;
}

方式2：传址调用。访问结构体时用箭头（->)操作符。

#include <stdio.h>

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

void print2(const struct S* ps)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("%d ", ps->data[i]);
	}
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
	struct S s = { {1,2,3},200 };
	print2(&s); //传址调用，传变量名的地址

	return 0;

输出结果都为：
在这里插入图片描述

上面的两种方式哪个更好呢？
答案是：传址调用更好。

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。

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