C语言中的结构体和位移段

在C语言中，结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，允许我们将不同类型的变量组合在一起，形成一个复合数据类型。结构体可以包含整型、浮点型、字符型等多种数据类型的成员。例如，我们可以定义一个表示人的结构体，包含姓名、年龄、性别等多个成员。结构体的使用使得程序能够更好地组织和管理数据，提高代码的可读性和可维护性。

位域（或位移）是C语言结构体的一个特殊功能，它允许我们在结构体中定义一个成员占用的位数，而非字节。位域可以用来节省空间，或者用来访问硬件寄存器中的某些特定位。例如，如果我们有一个表示设备状态的结构体，其中某些状态只需要1位来表示，那么我们就可以使用位域，定义这些成员只占用1位，从而节省空间。位域的定义通常如下：`struct { int a:1; int b:2; } bitField;，在这个例子中，`a`和`b`分别只占用1位和2位。

位域和结构体的结合使用，使得C语言能够更灵活地处理和存储数据，特别是在嵌入式系统开发中，位域的使用非常常见。

1. 结构体类型的声明

1.1 结构体

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。

1.1.1 结构的声明

struct tag

{

member-list;

}variable-list;

例如描述⼀个学⽣：

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

1.1.2 结构体变量的创建和初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};
int main()
{
//按照结构体成员的顺序初始化
struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
printf("name: %s\n", s.name);
printf("age : %d\n", s.age);
printf("sex : %s\n", s.sex);
printf("id : %s\n", s.id);

//按照指定的顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥
printf("name: %s\n", s2.name);
printf("age : %d\n", s2.age);
printf("sex : %s\n", s2.sex);
printf("id : %s\n", s2.id);
return 0;
}

1.2 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

⽐如：

//匿名结构体类型
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（tag）。

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;

警告：

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

1.3 结构的⾃引⽤

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;

};

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。

解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了

typedef struct Node

{

int data;

struct Node* next;

}Node;

2. 结构体内存对⻬

我们已经掌握了结构体的基本使⽤了。

现在我们深⼊讨论⼀个问题：计算结构体的⼤⼩。

这也是⼀个特别热⻔的考点：结构体内存对⻬

2.1 对⻬规则（下面我以VS为例）

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

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（对⻬数）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

3. 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。

4. 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。

例1：

//eg1
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

例2：


//eg2
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

2.2 为什么存在内存对⻬?

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。

那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，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 0 {
 char c1;
 char c2;
 int i;
 };

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。

2.3 修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。


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

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数，而对齐数往往设置成2的倍数。

3. 结构体传参

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，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。

结论：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。