第十七讲:结构体

news2024/9/20 5:34:31

第十七讲:结构体

  • 1.初始结构体
    • 1.1结构体声明
    • 1.2结构体变量的创建和初始化
      • 1.2.1结构体变量的创建
      • 1.2.2结构体变量的初始化
        • 1.2.2.1普通初始化
        • 1.2.2.2结构体数组
        • 1.2.2.3结构体指针
    • 1.3typedef定义结构体
    • 1.4结构体的自引用
    • 1.5结构体的特殊声明
  • 2.结构体内存对齐
    • 2.1对齐规则
      • 2.1.1练习1
      • 2.1.2练习2
      • 2.1.3练习3
      • 2.1.4练习4
    • 2.2为什么存在内存对齐
    • 2.3修改默认对齐数
  • 3.结构体传参
  • 4.结构体实现位段
    • 4.1什么是位段
    • 4.2位段的内存分配
    • 4.3位段的跨平台问题
    • 4.4位段的应用
    • 4.5位段使用的注意事项

1.初始结构体

1.1结构体声明

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

struct:结构体关键字
tag:结构体标签名,为自己定义
struct tag:结构体类型
member-list:结构体成员列表
variable-list:结构体创建的变量列表

比如我们要定义一个学生类型结构体:

//结构体的声明
struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu1, stu2;//stu1和stu2为结构体变量列表

1.2结构体变量的创建和初始化

1.2.1结构体变量的创建

//结构体的声明
struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu1, stu2;//stu1和stu2为结构体变量列表,这是创建结构体变量的一种形式

int main()
{
	//struct Stu为结构体类型,创建了一个stu3结构体变量
	struct Stu stu3;//创建结构体变量的第二种形式

	//与stu1和stu2不同的是,stu3是一个局部变量,而stu1和stu2是全局变量

	return 0;
}

1.2.2结构体变量的初始化

1.2.2.1普通初始化
//结构体的声明
struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu1, stu2;

int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu stu3 = {"于文乐", "20231104001", 100};//大括号括起来
	//进行打印
	printf("name = %s ", stu3.name);
	printf("mem = %s ", stu3.mem);
	printf("score = %d\n", stu3.score);

	//按照自己想要的顺序初始化
	struct Stu stu4 = { .mem = "20231104002", .name = "张增伟", .score = 50 };
	//进行打印
	printf("name = %s ", stu4.name);
	printf("mem = %s ", stu4.mem);
	printf("score = %d\n", stu4.score);

	//与stu1和stu2不同的是,stu3是一个局部变量,而stu1和stu2是全局变量

	return 0;
}

1.2.2.2结构体数组
//结构体数组
struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu[2] = { //此时,这个2可以省略
	{ "于文乐", "20231104001", 100 },
	{.mem = "20231104002", .name = "张增伟", .score = 50 }
};

int main()
{
	//进行打印
	printf("name = %s ", stu[0].name);
	printf("mem = %s ", stu[0].mem);
	printf("score = %d\n", stu[0].score);

	//进行打印
	printf("name = %s ", stu[1].name);
	printf("mem = %s ", stu[1].mem);
	printf("score = %d\n", stu[1].score);
	return 0;
}

1.2.2.3结构体指针
//结构体指针
struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu1 = { "于文乐", "20231104001", 100 }, * pstu1 = &stu1; //定义结构体指针的第一种形式

int main()
{
	//定义一个结构体指针,存储的是结构体变量的地址
	struct Stu* pstu2 = &stu1;//定义结构体指针的第二种形式

	//使用结构体指针进行打印,第一种方法:使用*和.
	printf("name = %s ", (*pstu2).name);
	printf("mem = %s ", (*pstu2).mem);
	printf("score = %d\n", (*pstu2).score);//.的优先级比*高,所以*pstu2必须放在一起

	//使用结构体指针进行打印,第二种方法:使用->
	printf("name = %s ", pstu2->name);
	printf("mem = %s ", pstu2->mem);
	printf("score = %d\n", pstu2->score);

	return 0;	
}

1.3typedef定义结构体

//typedef定义结构体
typedef struct Stu //定义一个学生结构体
{
	//结构体成员列表:
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}Stu; //对结构体命名的第一种形式:直接进行命名

typedef struct Stu Stu;//对结构体命名的第二种形式:对结构体单独命名

int main()
{
	Stu stu1 = { "于文乐", "20231104001", 100 };

	//进行打印
	printf("name = %s ", stu1.name);
	printf("mem = %s ", stu1.mem);
	printf("score = %d\n", stu1.score);
	return 0;
}

1.4结构体的自引用

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:定义一个链表的节点:

//1.4结构体的自引用
struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};

答案是:不行的,因为Node在创建空间时,创建的Node next变量中还要再次确定一次next变量的空间,也就是说第一次创建的next变量的空间中要有着下一个next变量的空间,依次循环,它需要开辟的空间是无限大的,所以它是不合理的
正确的自引用方式:

struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
	//创建一个4/8字节的指针变量,存储地址。就能指向自己的空间,就不必创建一个存储自己的变量了
};

但是在进行自引用的过程中,使用typedef关键字可能会造成错误:

//typedef联合自引用使用错误写法:
typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;//这里会出现错误:未识别标识符Node
//因为在这里才刚定义了结构体变量的名称,而在上面就已经使用了,这显然是不合理的

//正确写法:
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
	//在这里,使用结构体未定义的初始名称就可以了
}Node;

1.5结构体的特殊声明

在声明结构体时,也可以不完全声明:

//1.5结构体的特殊声明
//这个结构体被称为匿名结构体
struct
{
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu2, stu3;//这个结构体只能在此时创建结构体变量

int main()
{
	struct stu1; //不能在这里创建结构体

	return 0;
}

我们来分析下面的代码:

//这个结构体被称为匿名结构体
struct
{
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}stu1;

//此时我们创建一个结构体成员相同的结构体
struct
{
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
}* ps;

int main()
{
	//既然这俩结构体的成员类型相同,那么这时我们能使用指针ps存储stu1变量的指针吗
	ps = &stu1;
	//这时会报警告:从“*”到“*”的类型不兼容
	//因为没有了变量名,编译器会认为这俩结构体类型不相同,所以他俩的指针也是不相同的

	return 0;
}

2.结构体内存对齐

了解了上面之后,我们来了解计算结构体的大小

2.1对齐规则

我们首先来看一下对齐规则:

  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(对齐数)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
  1. 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。
  2. 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。

我们举例子来进行说明:

2.1.1练习1

//练习1
struct S1
{
	char c1;
	//1 8 1 - 对应0-1地址的空间
	//1 8 1分别对应变量类型大小、默认对齐量、最小对齐量
	int i;
	//4 8 4 - 4-7
	char c2;
	//1 8 1 - 8-9
	//所以一共是4+4+1 = 9个字节
	//但是总字节数要是最大对齐量的整数倍,所以结果为12
};

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

这次我们画图来进行说明,下面就不再画图了:
在这里插入图片描述

2.1.2练习2

//练习2
struct S2
{
	char c1;
	//1 8 1
	char c2;
	//1 8 1
	int i;
	//4 8 4
	//4 + 4 = 8是4的整数倍,所以结果为8
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
}

2.1.3练习3

//练习3
struct S3
{
	double d;
	//8 8 8
	char c;
	//1 8 1
	int i;
	//4 8 4
	//最大对齐数为8
	//8 + 4 + 4 = 16是8的倍数,所以结果为16
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
}

2.1.4练习4

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	//1 8 1
	struct S3 s3;
	//16 8 8
	double d;
	//8 8 8
	//最大对齐数为8
	//8 + 16 + 8 = 32为8的倍数,所以结果为32
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
}

2.2为什么存在内存对齐

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。
那么如何在设计结构体的过程中,既要满足对齐,又要节省空间:

让占用空间相同的成员尽量集中在一起

例如:

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};//结构体大小为4+4+4 = 12

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};//结构体大小为4+4 = 8

s1和s2的成员一模一样,但是s1和s2占用的空间不一样

2.3修改默认对齐数

我们可以使用#pragma这个指令修改编译器的默认对齐数(不需要引用头文件,它是一个预处理指令)

//修改默认对齐数
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};//此时结果为1+4+1 = 6,不再是12了

#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("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

3.结构体传参

//结构体传参
struct Stu
{
	char name[20]; //名字
	char mem[20]; //学号
	int score; //成绩
};

void Print1(struct Stu pstu)
{
	//进行打印
	printf("name = %s ", pstu.name);
	printf("mem = %s ", pstu.mem);
	printf("score = %d\n", pstu.score);
}

void Print2(struct Stu* pstu)
{
	//进行打印
	printf("name = %s ", pstu->name);
	printf("mem = %s ", pstu->mem);
	printf("score = %d\n", pstu->score);
}

int main()
{
	struct Stu stu = { "于文乐", "20231104001", 100 };

	Print1(stu);
	Print2(&stu);
	return 0;
}

在上面的两个函数Print1和Print2中,相对比较好的是哪个:第二个,第二个传入的是地址,如果像Print1中那么传参,参数需要压栈,会有时间和空间上的开销,如果结构体中的参数占用空间很大的话,压栈的开销比较大,会导致性能下降
所以,结构体进行传参,最好传入结构体的地址

4.结构体实现位段

4.1什么是位段

位段的声明和结构体相似,有两个不同:

1.位段的成员必须是整形家族中的变量(int、unsigned int、signed int),在C99标准中位段成员的类型也可以是其他类型
2.位段成员后边有一个冒号和数字,这个数字代表着成员变量在结构体中占用的bit位

比如:

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

4.2位段的内存分配

对于下串代码,占用的字节大小为多少:

//位段的创建
struct A
{
	char _a : 2;
	char _b : 4;
	char _c : 5;
	char _d : 4;
};

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

我们画图来解释:
在这里插入图片描述

总结:
位段的空间是按照需要以4个字节(int类型)或1个字节(char类型)来开辟的(练习中会看见)
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。

练习:

//位段的创建
struct S
{
	//因为是char类型,1个字节1个字节进行开辟
	char _a : 2;
	char _b : 4;
	//a和b用一个字节
	char _c : 5;
	//c用一个字节
	char _d : 4;
	//d用一个字节
};

struct A
{
	//因为是int类型,4个字节4个字节进行开辟
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	//ab用一个字节
	int _c : 10;
	//c用两个字节
	//abc一共占用17个比特位,相较于4个字节,还剩32-17 = 15个比特位,不够装下d
	int _d : 30;
	//所以d再开辟4个字节空间,在这4字节空间中存储d
};

int main()
{
	struct S s;
	printf("%zd\n", sizeof(s));//所以总共为3个字节

	struct A a;
	printf("%zd\n", sizeof(a));//所以总共为8个字节
	return 0;
}

4.3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位机器会出问题。
    例如:在16位平台上,int为两个字节,int _a : 20是不存在的
  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。

4.4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。
在这里插入图片描述

4.5位段使用的注意事项

位段中的成员可能共用一个字节,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。例如:

//位段的赋值
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	struct A a;
	scanf("%d", *(a._a));//这样写是错误的

	//正确方法如下:
	int d = 0;
	scanf("%d", &d);
	a._a = d;
	return 0;
}

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