结构体讲解

news2024/11/22 13:57:15

目录

一.结构体类型的声明

(1)结构体的声明 

(2)结构体的创建和初始化

(3)匿名结构体

(4)结构体的自引用

二.结构体内存对齐

(1)对齐规则 

(2)为什么存在内存对齐?

(3)结构体传参

三.结构体实现位段 

(1)什么是位段 

(2)位段的内存分配 

(3)位段的跨平台问题 


一.结构体类型的声明

(1)结构体的声明 

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

结构体是一些值的集合,这些值称为成员变量。结构体的每一个变量可以是不同的类型。

例如使用结构体描述一个学生:

struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
};//这里可以不写

(2)结构体的创建和初始化

#include<stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
};//这里可以不写

int main()
{
	struct Stu s1 = { "张三",18 ,"男"};
	//结构体成员的初始化要按顺序进行。	
	// struct Stu s1 = { "张三","男",18};
	//这样就是不行的。
	printf("%s ",s1.name);
	printf("%d ",s1.age);
	printf("%s ",s1.sex);
	printf("\n");
	//也可以指定进行初始化
	struct Stu s2 = {.age = 18,.name = "李四",.sex = "女"};
	printf("%s ", s2.name);
	printf("%d ", s2.age);
	printf("%s ", s2.sex);
	return 0;
}

(3)匿名结构体

在声明结构体的时候,可以不完全的声明。

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

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

这两个结构体就省略掉了结构体标签(tag)

那么问题来了?

第一个结构体和第二个结构体的成员变量都是一模一样的。

p = &x;

这个代码是否有问题?

 warning C4133: “=”: 从“*”到“*”的类型不兼容

编译器会发生警告,这两个结构体是不同的类型,所以是非法的。

匿名的结构体类型,如果没有对结构体类型进行重命名的话,基本上是只能使用一次。

(4)结构体的自引用

在一个结构体中包含一个类型为结构体本身的成员是否可以呢?
比如定义一个链表的节点:

struct Node
{
    int val;
    struct Node next;
};

 上面的代码正确吗?

结构体的大小应该是固定的,一个结构体包含自己和另一个整形变量,这肯定是不合理的,这样的变量会无穷大。正确的自引用应该是包含一个结构体指针指向下一个结构体。

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

这个代码可行吗?

答案是不行的,因为Node是对前面的匿名结构体进行了重命名,但是在匿名结构体内存提前使用了Node类型的变量来创建成员变量,这是不行的。

所以在定义结构体的过程中尽量不要使用匿名结构体。

二.结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用,现在我们可以深入讨论一个问题:结构体的大小?

#include<stdio.h>
struct s1
{
	int a;
	char b;
};
struct s2
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
int main()
{
	printf("%zd\n",sizeof(struct s1));
	printf("%zd\n",sizeof(struct s2));
	return 0;
}

 思考一下s1和s2所占字节是多少?

输出结果: 

 struct s1的大小是8个字节,为什么不是4(int)+ 1(char)=5个字节呢???

同理为什么struct s2不是6个字节呢?

说明在这个结构体中内存是存在一定的浪费的。 

(1)对齐规则 

偏移量就是距离结构体第一个字节的距离,第一个字节的偏移量是0,第二个偏移量是1,同理依次类推。 

struct s1
{
	int a;
	char b;
};

 我们先来计算这个结构体的大小。

规则1:就是结构体的第一个成员要放在最前面的位置

也就是int占据前4个字节。

什么是对齐数呢?

除了第一个成员变量之外,其他的结构体成员是需要对齐到某个数字开始存储的。

在vs2022中的对齐数是8,在Linux,gcc中是没有默认对齐数的,对齐数是成员自身的大小。

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数和该成员变量大小的较小值 

例如在vs2022中 char的对齐数就是 1 (1 < 8);int 的对齐数就是4 (4 < 8);

讲解完了对齐数,回到上面那个问题。

第二个成员变量char 是要对齐到它的对齐数的整数倍处。而任何数都是1的整数倍,所以char就放在int的后面即可。

第三条规则:结构体的总大小为最大对齐数的整数倍。

最大对齐数是所有结构体成员变量的对齐数的最大值。

通过前两个规则我们知道, char的对齐数就是 1 (1 < 8);int 的对齐数就是4 (4 < 8),所以最大对齐数是4;而且已经占据了5个字节,但是并不是4的整数倍,所以这个结构体的大小要自动补齐到八个字节。

 所以这个结构体的大小是8个字节。

那么我们现在来计算struct s2 的字节

struct s2
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

第一个结构体成员变量发在第一个字节,而第二个结构体成员int对齐到4的整数倍处也就是从偏移量4的字节开始占据4个字节,然后第三个结构体成员变量char对齐1的整数倍处,也就是偏移量8的字节,最大对齐数是4,根据第三条规则结构体的大小就应该是4的整数倍,也就是12了。 

结构体嵌套问题

我们把结构体struct s2 改变一下,

struct s1
{
	int a;
	char b;
};
struct s2
{
	char a;
	int b;
	char c;
	struct s1 d;
};

 那么此时的struct s2 的大小是多少?

规则4:嵌套的结构体要对齐到该结构体成员变量中最大对齐数的整数倍处。

结构体s1的最大对齐数是4,所以d应该对齐到4的整数倍处

这时候已经占据了20个字节,再根据规则三:整个结构体的最大对齐数4,而20刚好是4的倍数,所以不再变大了,这个结构体的大小就是20.

#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 S3));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
}

struct s3: 

 

不难推断处结构体s3的大小是16;

结构体s3的最大对齐数是8,故对齐到偏移量为8的位置,大小16个字节。s4的 最大对齐数就是8,也要对齐,刚好32就是8的倍数,所以这个结构体的大小就是32;

(2)为什么存在内存对齐?

  1. 平台原因:
    不是所有的硬件平台都能够访问任意的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的类型的数据,否则会抛出硬件异常。
  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,处理器需要进行两次内存的访问;而对齐的内存访问只需要一次。假设一个处理器总是从内存中取八个字节,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做来读或者写值了。否则,计算机可能需要执行两次内存访问,因为对象可能会被分放在两个8字节的内存块中。

总结:结构体内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那么在我们设计结构体时候,我们既要满足对齐,又要尽可能的节省空间

struct S 
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
struct S 
{
	char a;
	char c;
	int b;
};

我们发现第二个结构体的大小明显小于第一个。

让占用空间小的成员尽可能的集中在一起。

(3)修改默认对齐数

#pragma这个预处理指令可以修改编译器的默认对齐数

#include<stdio.h>
#pragma pack(1)//将默认对齐数设置为1
struct S3
{
	double d; 
	char c;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
}

 再次运行代码我们就会发现结果已经不一样了。

#pragma pack()

再加上这个就可以取消对齐数,还原为默认值。

结构体在对齐方式不合适的时候,我们就可以自己更改默认对齐数。

(3)结构体传参

#include<stdio.h>
struct S
{
	int arr[1000];
	int n;
	double d;
};
void print1(struct S tmp)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", tmp.arr[i]);
	}
	printf("%d ", tmp.n);
	printf("%lf\n", tmp.d);
}
void print2(const struct S* ps)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("%d ", ps->n);
	printf("%lf ", ps->d);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5}, 100, 3.14 };
	print1(s);
	print2(&s);
	return 0;
}

观察print1和print2函数,这两个函数都是在打印这个结构体,那么这两个结构体有什么区别呢?或者他们两个哪一个更好?

答案是print2函数

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,参数压栈的系统的开销比较大,所以会导致性能下降。

所以为了避免这样的情况,结构体传参的时候,要传结构体的地址。

三.结构体实现位段 

不是段位 

(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 或者unsigned int或者signed int ,在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型
  2. 位段的成员名后面后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

那么位段A所占内存的大小是多少?

答案是8.为什么呢?

变量名的后面跟着一个冒号数字代表这个数字只占多少个bit位。

比如int c:10,表示这个c变量占据了10个bit位。

而我们知道正常的一个int类型的变量是4个字节,占据32个bit位。

所以这样位段可以节省内存。

首先分配4个字节的空间存储a,还剩30个bit,然后在把b放进去,还剩25个bit,再把c放进去,只剩15个bit了不够容纳d了,所以再分配4个字节的空间,然后把d放进去。总共使用了8个字节,所以这个结构体的大小是8个字节。

(2)位段的内存分配 

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;
}

 在vs2022上,申请到的一块空间是从右向左使用的。但是不同的平台这是不确定的。

10的二进制是1010,但是a只有3位,所以存入010,

12的二进制是1100,b有4位,存入1100

3的二进制是0011,c有5位存入0011

4的二进制0100,存入0100

所以从低到高,十六进制0x62 0x03 0x04,总共占据三个字节

(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。
  2. 位段中的最大位数是不能确定的。(16位机器最大是16,32位机器最大32,写成27,在16位机器就会出问题) 
  3. 位段中的成员在内存中从左向右,还是从右向左分配这个是标准为定义的。
  4. 当一个结构体包含两个位段的时候,第二个位段成员比较大,无法容纳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。

总的来说:更结构体相比,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)位段使用的注意事项

位段的成员共有一个字节,这样有些成员的起始地址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,内存中的每一个字节分配一个地址,一个字节内部的bit位是没有地址

所以不能使用取地址操作符&利用scanf直接给位段的成员输入值,只是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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