C语言结构体类型,结构体变量的创建和初始化,结构中存在的内存对齐

news2024/11/28 22:38:39

1.语言结构体类型

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。

声明

struct tag
{
    member-list;
}variable-list;

例如声明一本书:

struct Book
{
	char name[20]; //书名
	char author[20]; //作者
	int price; //定价
    int id[12] //编号
};//别忘了分号!!!

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);
    return 0;
}

结构体的特殊声明

//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;

在上面的代码的基础上  *p = &x;  是不合法的。

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。

结构体的自引用

在结构中是否可以包含一个该结构体本身的类型呢?

比如在链表中:

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

这样定义是不行的,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;
};

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了

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

2.结构体内存对⻬

 对⻬规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则:
1.结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
2.其他成员变量要对⻬到某个数字(对⻬数)的整数倍的地址处。
对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。

VS 中默认的值为 8 ,Linux中gcc没有默认对⻬数,对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩
3.结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数(结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数,所有对⻬数中最⼤的)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⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处,结构
体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数(含嵌套结构体中成员的对⻬数)的整数倍。

下面来有几道例题:(后附参考答案)

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));// 12
//练习2
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));// 8
//练习3
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
    printf("%d\n", sizeof(struct S3));// 16
//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));// 32

为什么存在内存对⻬?

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:结构体的内存对⻬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

//例如:
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
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。

修改默认对⻬数

#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()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S));//输出 6
    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

3.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)
{
    printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
    print1(s); //传结构体
    print2(&s); //传地址(优)
    return 0;
}

为什么我们说结构传参的时候传地址比较好呢?在传结构体的时候相当于将原结构拷贝了一次,重新放在了一个地址上,占用了额外的空间。

那么,当我们传地址的时候为了防止原结构被修改,可以加上const修饰。

4.结构体实现位段

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

#include<stdio.h>
struct A
{
    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};

int main()
{
    printf("%zd\n",sizeof(struct A));//输出 8
}

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;
};
struct S s = {0};
    s.a = 10;
    s.b = 12;
    s.c = 3;
    s.d = 4;
//空间是如何开辟的?


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。

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;
}

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