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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

在C语言中共有三种自定义类型——结构体、联合体、枚举。本文主要介绍第一种结构体，后面文章中会介绍联合体与枚举。本文主要围绕以下几个方面对结构体进行介绍——结构体的基础知识、结构体的内存对齐、结构体实现位段。结构体内存对齐，和实现位段是我们比较陌生的知识，需要努力掌握一下。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、结构体基础知识

结构是一些值的几何，这些值称为成员变量。值得一提的是结构的每个成员可以是不同类型的变量。
结构体的关键字为struct

（一）、结构体类型的声明、变量的创建与初始化

• 我们以描述一个学生为例：

#include<stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};//注意分号不能丢

我们列举了学生应该有的一些特征，利用不同的数据类型给定义变量值作为结构体的成员，将这些成员组合在一起就构成了一个描述学生的结构体。这就是它的声明.

• 对于结构体的变量创建以及初始化，我们还是以描述一个学生为例：

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};//注意分号不能丢
int main()
{
struct Stu s={"张三"，20，“男”，“20230818001”}；
//这里我们就创建了结构体变量s，并对其进行了初始化的操作
}

同时我们也可以在声明部分直接定义结构体变量

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s;//注意分号不能丢

这里我们直接在声明中大括号后面，分号之前直接定义了结构体变量s。

• 结构体的特殊声明
  在声明结构体的时候，可以不完全声明，即将结构体的名字给抹掉。这样的话存在两个个弊端：
  第一个就是就是我们进行定义结构体变量的时候，如果没有对结构体进行typedef重命名的话，基本上只能在声明后面定义变量，且只能使用一次。
  第二个就是尽管两个结构体里面成员完全一致，但会将这两个结构的声明当成完全不同的类型。

//匿名结构体声明：
struct 
{
int a;
char b;
float c;
}x;//如果没有重定义的话只能在声明部分，定义变量
struct 
{
int a;
char b;
float c;
}a[20],*p;//如果没有重定义的话只能在声明部分，定义变量

根据第二个弊端可以得出:

p=&x;

这句代码是完全错误的，因为编译器会将上面两个匿名结构体声明当成两种不同的类型。

（二）、结构成员访问操作符

成员访问操作符一个是： . ；另外一个是：-> ；
这两个一个针对非指针结构体变量，一个针对指针型结构体变量。

#include<stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}a,*b;//注意分号不能丢
int main()
{
//我们要访问stu结构体中的成员两种方式：
//1.非指针型
a.age=20;
printf("%d\n",a.age);
//2.指针型
printf("%s",b->name);
}

（三）、结构体的自引用

• 结构体的自引用就是结构体的成员中有类型为结构体本身。
• 例如定义一个单链表的节点

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

其实上面的代码是有一些问题的，我们考虑一下啊，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大，这样是不合理的，正确的引用应该用指针型：

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

这样的话指针在X86环境下只占4个字节，就可以避免了结构体变量大小为无穷大的现象。

• 对于不完全声明的匿名结构体类型是不能进行自引用的（尽管进行了重定义）

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

上面这段代码是错误的，因为自定义类型Node在后面声明的，不能提前使用。
故而定义结构体（自引用）不要使用匿名结构体。

（四）、结构体传参

• 传值调用

struct S
{
int data[1000];
int num;
};
void print1(struct S s)
{
printf("%d",s.num);
}
int main()
{
struct S s={{1,2,3,4},4};
print1(s);//传参传的是结构体
}

• 传址调用

struct S
{
int data[1000];
int num;
};
void print2(struct S* p)
{
printf("%d",p->num);
}
int main()
{
struct S s={{1,2,3,4},4};
print2(&s);//传参传的是结构体的地址
}

上面两端代码打印的结果是相同的，分别是结构体的传值调用，以及传址调用，但是我们首先选择的是传址调用，因为函数传参的时候，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，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。而传址传的是指针，在X86环境下只有4个字节，比较小。故而结构体传参的时候，我们优先选择传结构体的地址。

二、结构体内存对齐！！

（一）、对齐规则

• 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。
  宏 offsetof（type,member）（头文件 stddef.h）是计算结构体成员相较于结构体变量起始位置的偏移量。
• 其他成员要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处
  在这里对齐数=编译器默认的一个对齐数 与该成员变量大小的较小值。
  VS中默认对齐数为8；Linux gcc中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
• 结构体总的大小为最大对齐数（结构体中每一个成员变量都有一个对齐数，所以对齐数中最大的）的整数倍
• 对于镶嵌了结构体的情况，镶嵌的结构体成员对齐到自己成员中最大对齐数的整数倍处。故而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

（二）、分析结构体大小的详细过程

• 练习1：

#include<stdio.h>
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%zd",sizeof(struct S2));

}

运行结果如下：

根据结构体对齐规则：对齐如下图：

结构体第一个成员为c1,它位于结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，占用一个字节；然后第二个成员为n，它的内存大小为4个字节，VS默认对齐数为8，所以取较小值，故而它的对齐数为4，要从对齐数的整数倍开始，故而n变量的地址起始位置应该在偏移量为4的位置，顺至到偏移量为7的位置（共4个字节);最后一个成员为c2，它的内存大小为1个字节，VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为1.故而偏移量8即为它的起始地址。结构体成员的最大对齐数为4，所以结构体变量的大小应该是最大对齐数的整数倍，即4的倍数，现在已经是9个字节了，所以还应该浪费3个字节，变成12个字节故而此结构体变量大小为12个字节。

• 练习2：

#include<stdio.h>
struct S1
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd",sizeof(struct S1));

}

运行结果如下：

根据结构体对齐规则：对齐如下图：

结构体第一个成员为c1,它位于结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，占用一个字节；然后第二个成员为c2，它的内存大小为1个字节，VS默认对齐数为8，所以取较小值，故而它的对齐数为1，顺利的占据偏移量为1的地址处；最后第三个成员为int型，它的内存大小为4，VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为4，要从对齐数的整数倍开始，故而n变量的地址起始位置应该在偏移量为4的位置，顺至到偏移量为7的位置（共4个字节）。它的所有成员的最大对齐数为4，根据对齐规则，此结构体变量的大小应该是最大对齐数的整数倍，所以占据8个字节。

• 练习3：

#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd",sizeof(struct S3));

}

运行结果如下：

根据结构体对齐规则：对齐如下图：

结构体第一个成员为d,它位于结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，占用8个字节;第二个成员为c，它的内存大小为1个字节，VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为1，故而它的起始位置是偏移量为8的位置，共占据一个字节；它的第三个成员为i，它的内存大小为4个字节，VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为4，因为对齐数位置要是4的倍数，所以它的起始位置的偏移量为12，共占据4个字节，此时偏移量来到15。此结构体变量成员中最大对齐数为8，所以该结构体变量所占字节大小为8的倍数，此时正好为16个字节，正好满足为8的倍数，所以不用额外扩充，浪费字节。

• 练习4：结构体嵌套问题

#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
printf("%zd",sizeof(struct S4));

}

运行结果如下：

根据结构体对齐规则，对齐如下图：

结构体第一个成员为c1,它位于结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，占用一个字节；紧接着，第二个成员为s3，它的内存大小为16（上面以求）,VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为8，由于它的起始 位置要是8的倍数，所以它的起始位置偏移量为8，共计16个字节，所以来到了偏移量为23的位置；该结构体的第三个成员为d,它的内存大小为8个字节，VS默认对齐数为8，所以它的对齐数为8，由于它的起始 位置要是8的倍数，所以它的起始位置偏移量为24，共计8个字节，来到了偏移量为31的位置。该结构体成员的最大对齐数为8，所以该结构体变量的大小为8的倍数，此时正好为32个字节，正好满足为8的倍数，所以不用额外扩充，浪费字节。

（三）、为什么存在内存对齐

• 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；某些平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。故而应该对齐指定位置。
• 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，为了访问未对齐地内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐地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4个字节，则地址必须是4的倍数。如果我们能保证所有的int类型的数据的地址都能对齐成4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字节的内存块中。
  以下面例子来解释：
  
  我们一次要访问4个字节，如果没对齐，我们要完整的访问n变量需要两次访问，而对齐后我们只需要一次访问即可，这节省了时间。

总体来说：结构体的内存对齐实质上是拿空间来换取时间的做法。

而我们肯定会想，设计结构体的时候，如何做到又能对齐，又能节省空间。我们的做法是应该让占用空间小的成员尽量集中在一起！！

#include<stdio.h>
struct S1
{
char c1;
char c2;
int i;
};
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%zd\n",sizeof(struct S1));
printf("%zd\n",sizeof(struct S2));
}

运行结果如下：

S1和S2结构体的成员一样，但是S1中让占用空间小的成员c1,c2集中在一起，那么它占用的内存就小

（四）、默认对齐数的可修改性

• 我们用#pragma 这个预处理指令， 可以改变编译器的默认对齐数

#pragma pack(1)
struct S
{
	char c1;
	int n;
	char c2;

};

int main()
{

	printf("%zd\n", sizeof(struct S));


}

运行结果如下：
此时VS的默认对齐数为1.

三、结构体实现位段！

（一）、位段的声明

• 位段的声明与结构体的声明类似，但需要注意以下几点：
  1.位段的成员必须是 int、unsigned int、signed int、c类型，但在C99中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。

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

在这里A就是一个位段类型，这里里面成员_a冒号后的数字代表所给变量定义所占的二进制位数。
那么这个结构体的大小会是多少呢，要解决这个问题，我们得先了解位段的内存分配规则

（二）、位段的内存分配

• 位段成员可以是int、unsigned int、signed int或者是char等类型

• 位段的空间是按照需要以4个字节（int）或者1个字节（char）的方式来开辟的。

• 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，要注意可移植的程序应该避免使用位段

• 分析下面位段的大小：

#include<stdio.h>
struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;

};
struct S s={0};
int main()
{
printf("%zd",sizeof(struct S));
}

运行结果如下：

咱们假设给定空间后，在空间内部都是从右向左使用；当剩下空间不足以放下一个成员的时候，空间就浪费掉；且位段的哦那关键是按照需要以1个字节的方式来开辟。

这样，在开辟第一个字节时候，a从右向左存储三个bit位，紧接着b存储4个比特位，这个字节就浪费了一个bit位，紧接着开辟下一个字节，这是c从右向左占据5个比特位，剩下3个bit位不足以存放d变量，所以又重新开辟一个字节。故而这个位段的大小为3个字节。

（三）、位段的跨平台问题

• int 位段被当作有符号数还是无符号数是不确定的。
• 位段中最大位的数目不能确定。（例如16位机器最大为16，而32位机器最大是32。故而写成27，在16位机器中会出错）
• 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
• 当一个结构体包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时候，是舍弃剩余的位还是将剩余位利用，这个是不确定哒。

总而言之：与结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是位段存在跨平台问题。

（四）、位段的应用

• 在网络协议中，IP数据报的格式，很多属性只需要几个bit位就可以描述，在这里我们可以使用位段，来达到理想的效果，充分节省空间，这样下来，在网络传输的时候，数据报的大小也会较小一些，这对网络的畅通是有帮助的。
  

（五）、位段的使用注意事项

• 位段的几个成员共用一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，故而这些位置处是没有地址的。因为在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。故而我们在对没有地址的位段成员不能使用取地址操作符（&），所以在用scanf函数的时候，我们应该采用间接赋值。

#include<stdio.h>
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	struct A sa = { 0 };
	int d = 0;
	scanf("%d", &d);
	sa._d = d;
	printf("%d", sa._d);
}

为了避免位段中的成员可能不能进行取地址操作，我们引入中间变量d，来对位段成员间接赋值。

总结

本文介绍了C语言自定义类型中的第一种结构体的相关知识，着重介绍了结构体内存对齐以及位段的相关知识，如有错误，请批评指正。