C语言自定义类型结构体与位段超详解

news2024/11/16 2:16:21

文章目录

  • 1. 结构体类型的声明
    • 1. 1 结构体声明
    • 1. 2 结构体变量的创建和初始化
    • 1. 3 结构体的特殊声明
    • 1. 3 结构体的自引用
  • 2. 结构体内存对齐
    • 2. 1 对齐规则
    • 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 位段成员的内存分配
    • 4. 3 位段的跨平台问题
    • 4. 4 位段的使用
    • 4. 5 位段使用的注意事项

1. 结构体类型的声明

1. 1 结构体声明

格式如下：

struct tag
{
	member - list;//结构成员，可以不止一个
}variable - list;//在这里可以直接创建结构体变量，可以用逗号隔开来创建多个，不能初始化

例如描述一个学生：

struct student	//这个结构体的名称
{	//以下是结构成员
	char name[20];	//姓名
	char sex[5];	//性别
	int age;		//年龄
	char id[10];	//学号
}A, B;				//声明结构体时创建了学生A和B，注意分号不能丢

进行声明时，还可以使用 typedef 进行重命名：

typedef struct student
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[10];
}ST;//之后创建结构体变量时，就可以将 ST 作为类型使用了，注意这样就无法在声明结构体时创建变量了

1. 2 结构体变量的创建和初始化

除了在声明时创建变量，还可以像创建int等其他变量一样创建并初始化结构体变量。

#include<stdio.h>

struct student
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[10];
}A, B;

void Print(struct student S)
{
	printf("%s %s %d %s\n", S.name, S.sex, S.age, S.id);
}

int main()
{	
	//按照定义顺序初始化
	struct student s1 = { "张三","man",15,"122111" };
	Print(s1);
	//按照指定顺序初始化
	struct student s2 = { .age = 18,.id = "454541",.name = "fhvyxyci",.sex = "man" };
	Print(s2);
	return 0;
}

1. 3 结构体的特殊声明

//匿名结构体变量
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。

那么问题来了：

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

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（使用 typedef ）重命名的话，基本上只能使用一次。

1. 3 结构体的自引用

1. 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（一种数据结构）的节点：

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

上述代码正确吗?如果正确，那sizeof(struct Node)是多少?
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;//这里放上一个指针，就合理多了
};

2. 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：定义结构体不要使用匿名结构体。

typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;//这里要使用没有重命名的名字
}Node;

2. 结构体内存对齐

2. 1 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. 其他成员变量要对产到某个数字(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 该成员变量大小的最大值的较小值。
    VS 中默认的值为 8
    Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  3. 结构体总大小为最大对齐数(结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的)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齐到自己的对齐数的整数倍处，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。

来做几个练习巩固一下：
练习一：

#include<stdio.h>
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

首先 c1：根据对齐规则1，c1占1个字节，和结构体处于同一个地址。
然后 i ：根据对齐规则2，i需要对齐到相对结构体地址的偏移量为4的位置，所以i的起始地址相对结构体是4，目前结构体大小为8。
然后c2：占一个字节，结构体大小直接+1（任何偏移量都是1的倍数，所以不需要额外偏移）。
最后，根据对齐规则3， 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （以VS为例，8）与 该成员变量大小的最大值的较小值，这里显然对齐数是4，因此9的下一个对齐数的倍数是12，所以结构体的大小是12。

图解：
图解

输出结果：
输出结果

代码二：

#include<stdio.h>

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

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

c1不比多说，来看c2：char类型的大小是1，任何偏移量都一定是1的倍数，所以到了c2，结构体的大小是2。
接着看i：int变量的大小是4，2后面的最小的4的倍数是4，所以此时结构体的大小是8。
最后对齐数也是4，所以结构体的大小就是8。

图解：
图解
输出结果：
输出结果
代码三：

#include<stdio.h>

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

首先d：double 类型为8个字节。
然后c：结构体大小+1。
然后i：9后面第一个4的倍数是12，所以从12开始向后+4。
最后对齐数：对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （8）与 该成员变量最大值的较小值（8），所以对齐数是8，最终大小就是16。

图解：
图解
运行结果：
运行结果
；练习四：

//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\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

c1不再赘述，来看这个 s3:
s3的对齐数是8，所以s3的偏移量为8，上面我们已经算出了S3的大小是16，所以现在S4的大小是24。
因为24是8的倍数，所以d就再向后找8个地址，是32。
S4的偏移量是S4中所有除了S3以外的元素和S3的所有成员的大小中的最大值与默认对齐数8之间的较小值，是8，所以S4的大小是32。

图解：
图解
输出结果：
输出结果

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齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问，而对齐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齐成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，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;
};

经过上面的计算，你会发现虽然这两个结构体的成员一样，但是大小却差的很多。

2. 3 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。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认
int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

结果是6：
结果
说明对齐数是在结构体声明时计算的，而不是调用时。

尽管使用场景可能比较少，但是在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

3. 结构体传参

#include<stdio.h>
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
	return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些?
答案是：首选print2函数。
原因:
函数传参的时候，参数是需要压栈（可以理解为拷贝实参到形参），会有时间和空间上的系统开销。
传递一个结构体对象，结构体过大，参数压栈的的系统开销就大，会导致性能的下降。
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

4. 结构体实现位段

4. 1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，但是有两个不同：

  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。

比如：

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

A就是一个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少？

是8。
我们来了解一下。

4. 2 位段成员的内存分配

位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
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。
位段涉及很多不确定因素（比如上一行），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
#include<stdio.h>
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;
	//空间是如何开辟的？
	return 0;
}

在VS上是这样开辟的：每个字节从右向左使用，如果下一个位段成员比较大，就舍弃该字节中剩下的比特位去开辟新的字节。
VS
那么上面的那个8字节也就很好分析出来了。

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。
  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 位段的使用

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比特位就能描述，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。
IP数据报

4. 5 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，一个字节内部的比特位是没有地址的。
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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