结构体与位段的定义以及在内存中的存储

news2024/11/28 11:56:37

结构体的声明

完全声明

不完全声明

结构体变量的定义和初始化

结构体的嵌套

结构体成员的直接访问和间接访问

结构体的自引用

typedef对结构体类型重命名

结构体内存对齐

对齐规则

练习

为什么存在内存对齐

修改默认对齐数

结构体传参

结构体实现位段

位段的内存分配

位段例题

使用位段的注意事项：

总结：

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，如：

标量、数组、指针，甚至是其他结构体。

结构体的声明

完全声明

描述一个学生：

struct stu {
	char name[21];
	char sex[5];
	char number[12];
};

注意结尾的分号不要忘记

不完全声明

在声明结构体的时候也可以不完全的声明

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

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

上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签，叫做匿名结构体

那么 p = &x; 合法吗？

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。

最好不要声明匿名结构体

结构体变量的定义和初始化

变量的定义：

struct book {

	float price;
	char booknumber[9];

}p;
struct book p1;

变量的初始化：

struct book {

	float price;
	char booknumber[9];

}p = { 23.5, "1234-567" };//顺序初始化
struct book p1 = { .booknumber = "1235-589", .price = 20.5 };//指定顺序初始化

结构体的嵌套

struct node {
	float price;
	char nodenumber[5];
};
struct book {

	float price;
	char booknumber[9];
	struct node n;
    struct node* a;
};
struct book p = { 19.9f, "1222-345", { 3.5f, "11-33" }, NULL };

int main() {

	printf("%0.1f %s %0.1f %s", p.price, p.booknumber, p.n.price, p.n.nodenumber);
	
	return 0;
}

结构体成员的直接访问和间接访问

1、直接访问：结构体变量.成员名

struct point {
	int x;
	int y;
}p;
int main() {
	p.x = 20;
	p.y = 30;
	printf("%d %d", p.x, p.y);
}

2、间接访问：结构体指针 -> 成员名

struct point {
	int x;
	int y;
}p = { 20, 30 };
int main() {
	struct point* ptr = &p;
	printf("%d %d", ptr->x, ptr->y);
}

结构体的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

比如，定义一个链表的节点：

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

上述代码仔细分析，其实是不行的，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;
};

typedef对结构体类型重命名

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

将struct Node类型重命名为了Node

结构体内存对齐

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改成员变量大小的 较小值）

VS中默认对齐数是8

linux中ggc没有默认对齐数，对齐数是成员自身大小

3.结构体总大小为最大对齐数的整数倍

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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

练习

1、

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

2、结构体嵌套

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	struct S1 s1;
	double d;
};
int main() {
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

结构体S1的大小由题1可知在内存中占12个字节，由上图可知总共占了24个字节，最大对齐数是8，24是8的倍数，所以结构体S2所占内存的大小为24字节

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，应该将占用空间小的成员尽可能的集中在一起。

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

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。

只占用了6个字节

结构体在对齐式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数

结构体传参

#include <stdio.h>

struct point {
	int x;
	int y;
}a;

void print(struct point* p) {
	printf("%d\n", p->x);
}

int main() {
	a.x = 20;
	print(&a);
	return 0;
}

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

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。

结构体实现位段

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 或者是 char 类型，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（这个数字表示所占的位）。

比如：

struct A
{
 int a:3;
 int b:5;
 int c:8;
 int d:12;
};

位段的内存分配

上述结构体中的位段在内存中的分配如下：

struct A在内存中占了4个字节。

在一个字节中，位是从右往左开始排布，如果一个字节内的所有位排满，则在右边开辟1个字节或4个字节的空间再进行位的排布。

位段例题

#include <stdio.h>
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
int main() {
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	printf("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}