C语言⾃定义类型:结构体

news2024/11/6 3:08:34

目录

前言

1. 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

1.2 结构体变量的创建和初始化

1.3 结构的特殊声明

1.4 结构的⾃引⽤

2.结构体内存对齐

2.1 对⻬规则

实例讲解

2.2 为什么存在内存对⻬?

2.3 修改默认对⻬数

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

结语

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前言

在C语言中提供了许多内置类型,例如:int、short、long、longlong、char、float、double等,但是如果想描述一个学生时,这些单一的内置类型是无法做到的,描述一个学生需要包含名字、年龄、身高、体重等特征,为了解决这类问题,C语言中引入了结构体的概念,结构体这种自定义的数据类型,能让我们自己创建出合适的类型,那么接下来学习一下结构体该如何使用吧!!!


1. 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

定义结构体的基本形式:

struct tag   //结构体名称
{
    member-list;  //结构体成员列表
}variable-list;   //结构体变量列表

例如描述一个学生的基本信息:

struct stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	int stu_id[10];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
}

1.2 结构体变量的创建和初始化

既然已经学习了结构体是如何声明的,那么来看看结构体变量是如何创建和初始化的:

1.按照结构体成员顺序进行初始化、

​
#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	char stu_id[20];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
};
int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };//s就是结构体变量
	printf("name: %s\n", s.name);
	printf("age : %d\n", s.age);
	printf("sex : %s\n", s.sex);
	printf("stu_id : %s\n", s.stu_id);
	return 0;
}

​

2.按照指定的顺序初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	char stu_id[20];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
};
int main()
{
	struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .sex ="女" ,.stu_id = "20230818002"};
	printf("name: %s\n", s2.name);
	printf("age : %d\n", s2.age);
	printf("sex : %s\n", s2.sex);
	printf("stu_id : %s\n", s2.stu_id);
}

1.3 结构的特殊声明

在声明结构的时候,可以不完全的声明,例如:

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

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}* p;

int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag),此时是匿名结构体类型,那么此时主函数中的p=&x 这个代码是合法的吗?


注意:编译器会把上⾯的两个声明(两个匿名结构体类型)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。

1.4 结构的⾃引⽤

结构体自引用指的是在结构体定义中,结构体本身作为该结构体类型中的一个成员出现,但是直接进行结构体自引用会引发无限递归的结构体定义,就是结构体试图包含自己,导致编译器无法确定结构体的大小。

例如:

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

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,那么正确的自引用方式是怎么样的呢?

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

 使用指向自己类型的指针来实现自引用的效果,这种方式不会引发无限递归的问题,并且指针的大小是固定(4/8字节)。

2.结构体内存对齐

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,要计算结构体大小,我们就要明白结构体成员在内存中是如何进行存储的,这就涉及到结构体内存对齐的问题。

2.1 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。

什么意思呢?我们接下来根据实例进行探索(vs2022环境)

实例讲解

练习1:

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};

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

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

S1与S2的区别就在结构体成员的位置的不同,那么里面的成员都是一样的,为什么S1和S2的大小是不一样的呢?这就涉及到结构体内存对齐的规则了。

画图演示:

所以此时S1的大小为12个字节,S2的大小也是通过对齐规则进行判断的,这里就不在进行演示啦。

练习2:(结构体嵌套问题)

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
//结构体嵌套问题
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    printf("%d\n", sizeof(struct S4));
    return 0;
}

接下来我们来计算一下S3和S4的大小,根据之前讲过的对齐规则,我们可以快速的计算出S3的大小是16个字节,那么我们重点来讲一下S4的大小该如何计算。

画图演示:

运行结果:

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。

那么在设计结构体的时候,我们该如何尽可能的让占用空间更小呢?

解决办法:让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起,就比如练习一中的例子,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

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。

#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()
{
 printf("%d\n", sizeof(struct S));
 return 0;
}

运行结果:

这里将默认对齐数从8变成了1,再根据对齐规则,得到的大小就是6个字节。

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;
}

结构体传参有两种方式:一种是值传递另一种是址传递

值传递的方式:调用函数的时候,系统要为函数的形参部分分配空间来存放实参的值,相当于又开辟了一份相同的空间。

址传递的方式:调用函数的时候,函数的形参部分用结构体指针接收实参的地址,指向的就是实参,系统不会再为形参部分开辟一份与实参相同的空间,可以节约对内存空间的占用。

那么print1(值传递)和 printf2(址传递)哪种方式更好呢?其实 printf2 址传递的方式更好

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,尽量传结构体的地址。

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,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。(表示成员在内存中所占的比特位

例如:

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

 4.2 位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型

2. 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。

3. 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。

 位段成员在内存中的分配方式(从左到右,从右到左)是由编译器决定的

//⼀个例⼦
struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的?

画图演示:

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。

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:

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;
}

结语

以上就是自定义类型—结构体的内容啦,希望大家看完后能够灵活运用结构体,并且明白结构体数据在内存中是如何存储的,在此感谢大家的观看!!!

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