一、 引言✨

在C语言中，我们熟悉的基本数据类型包括整型（如 int、short）、字符型（如 char）、浮点型（如 float、double）等。然而，这些内置类型有时无法满足我们处理复杂对象的需求，例如描述一个学生、一本书等。为了应对这些情况，C语言提供了自定义数据类型，如结构体、枚举和联合体。其中，结构体是最常用的一种，它允许我们将不同类型的数据组合在一起，形成一个新的数据类型。

虽然许多人已经使用过结构体来解决实际问题，但结构体中仍有许多细节值得深入探讨。本文将详细介绍结构体的声明、自引用、变量的定义和初始化、内存对齐、默认对齐数的修改、传参以及位段等内容。

二、 结构体的声明💫

2.1 结构体的基础知识

结构体是C语言中一种非常重要的数据类型，它由一组称为成员变量的数据组成。每个成员可以是不同类型的变量，甚至可以是另一个结构体变量。结构体通常用于表示类型不同但相关的若干数据。

2.2 结构体的声明

结构体的声明格式如下：

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

• struct：结构体关键字，用于定义结构体类型。
• tag：结构体标签，用于区分不同的结构体类型。
• member-list：成员列表，包含结构体的成员变量。
• variable-list：变量列表，可以在声明结构体类型的同时创建结构体变量。

例如，我们可以使用结构体来描述一个学生：

struct Student {
    char name[20]; // 姓名
    char sex[5];   // 性别
    char id[20];   // 学号
    int age;       // 年龄
    float score;   // 绩点
};

如果觉得结构体类型名太长，可以使用 typedef 进行重命名：

typedef struct Student {
    char name[20]; // 姓名
    char sex[5];   // 性别
    char id[20];   // 学号
    int age;       // 年龄
    float score;   // 绩点
} Stu;

2.3 特殊的声明

除了常规的声明方式，还可以使用不完全的声明，即匿名结构体类型：

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

匿名结构体类型通常是一次性的，因为省略了标签，无法在其他地方重复使用该类型。

三、 结构体的自引用🌟

在创建链表时，结构体常用于表示链表的节点。每个节点包含数据域和指针域：

• 数据域：存储当前节点的值。
• 指针域：存储指向下一节点的地址。

例如：

typedef int ListDataType;
struct ListNode {
    ListDataType val; // 数据域
    struct ListNode* next; // 指针域
};

这种结构体中包含指向自身结构体变量的指针的方式称为结构体的自引用。需要注意的是，不能在结构体中直接包含自身类型的变量，因为这会导致无限递归，无法确定结构体的大小。

四、 结构体变量的定义和初始化🌊

定义结构体变量很简单，可以直接在声明结构体类型的同时定义变量，也可以在后续代码中定义：

struct Point {
    int x;
    int y;
} p1; // 声明类型的同时定义变量p1

struct Stu {
    char name[15]; // 名字
    int age;       // 年龄
};

int main() {
    struct Point p2; // 定义结构体变量p2
    struct Point p3 = {3, 4}; // 初始化
    struct Stu s = {"zhangsan", 20}; // 初始化
}

结构体嵌套结构体的初始化方式如下：

struct Point {
    int x;
    int y;
} p1; // 声明类型的同时定义变量p1

struct Node {
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
} n1 = {10, {4, 5}, NULL}; // 结构体嵌套初始化

int main() {
    struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL}; // 结构体嵌套初始化
}

五、 结构体的内存对齐🔉

结构体的内存对齐是一个重要的概念，它决定了结构体在内存中的存储方式。以下是内存对齐的规则：

1. 结构体的第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
3. 对齐数 = 编译器默认的对齐数与该成员大小的较小值。VS的默认对齐数为8。
4. 结构体的总大小为最大对齐数的整数倍。
5. 嵌套结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数的整数倍。

例如：

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

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

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(struct S1)); // 输出12
    printf("%d\n", sizeof(struct S2)); // 输出8
}

六、 默认对齐数的修改🌷

C语言允许修改结构体的默认对齐数，使用 #pragma pack 预处理指令即可：

#include <stdio.h>
#pragma pack(1) // 修改默认对齐数为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)); // 输出6
    printf("%d\n", sizeof(struct S2)); // 输出6
}

七、 结构体的传参

结构体传参时，通常使用传址调用，以减少内存和时间的开销：

#include <stdio.h>

struct S {
    int data[1000];
    int size;
};

void print1(struct S s) {
    printf("%d", s.size);
}

void print2(struct S* sp) {
    printf("%d", sp->size);
}

int main() {
    struct S s1;
    print1(s1); // 传值调用
    print2(&s1); // 传址调用
}

八、位段🌸

8.1 位段的特征与声明

位段是一种特殊的结构体，具有以下特征：

1. 成员必须是 int、unsigned int 或 char 等整型家族的成员。
2. 成员名后有一个冒号和数字，表示成员占多少个二进制位（bit位）。
3. 位段的空间按照需要以4个字节（int）或1个字节（char）的方式来开辟。

例如：

struct A {
    char a : 1;
    char b : 4;
    char c : 5;
    char d : 5;
};

8.2 位段的内存分配

位段的内存分配方式在C语言中没有明确规定，不同的编译器可能有不同的实现。例如，在VS2022环境下，位段从右向左分配且不足时舍弃剩余位。

8.3 位段的跨平台问题

由于位段的内存分配方式不确定，位段的可移植性较差，存在跨平台问题。

8.4 位段的应用

位段在网络中的应用较多，例如IP数据包的封装，可以有效节省空间。

九、 总结

结构体是C语言中非常强大的工具，通过合理使用结构体，我们可以更好地组织和管理复杂的数据。深入理解结构体的声明、内存对齐、传参和位段等细节，有助于我们编写更高效、更可靠的代码。