结构体

1. 结构体的基本知识

结构是一些值的集合，这些值被称之为成员变量。并且结构体的每个成员变量可以是不同类型的。

2.结构体的声明

声明模板：

struct tag
{
member-list;(成员变量)
}variable-list(结构体变量列表);

假定我们声明一个学生类对象：

struct Student
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[2];//性别
};//这里的分号不能丢

结构体声明时，大括号最后的分号不能丢。

3.特殊的结构体声明

下面来看一种省略了tag的结构体：匿名结构体

//匿名结构体的声明
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

那么请问，下面这段代码合法吗？

p = &x;

编译器会弹出警告，所以这种方式是非法的。

4.结构体的自引用

结构体既然可以定义不同类型的数据，那么能否在结构体中包含自己呢？也就是结构体的自引用。

//代码1
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};

假如这样写，那么struct Node结构体的大小是多少呢？？

运行起来是会报错的：假如这样定义结构体的话，想要计算结构体的大小，分析下去，会发现结构体的大小是无穷无尽的，然而这是不可能的，所以编译器直接就给禁止这种定义方式。

正确的自引用方式：（这种定义方式第二个元素是一个结构体类型的指针，就类似于链表的形式，第二个元素指向和自己相同类型的结构体。）

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

（下面这幅图是便于理解，实际上是有小瑕疵的，后面链表部分会细讲的）

有时候结构体的类型太长了，我们可以使用typedef关键字对类型进行重命名操作，来看下面这种方式是否正确？

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

这样写是编译不通过的，因为结构体先声明好了之后才能被重命名，这里结构体在声明的过程中就提前使用了重命名之后的名字，显然是不合理的。

改进方法：（在声明结构体的时候使用typedef之前的类型名）

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

5.结构体变量的定义和初始化

结构体变量的定义：结构体变量的定义有两种方式：

第一种：声明结构体的时候在变量列表定义结构体变量

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

第二种：声明结构体之后，不在变量列表定义，而是单独定义：

struct Point
{
    int x;
    int y;
};
struct Point p2; //定义结构体变量p2

结构体变量的初始化：根据两种不同的定义方式，初始化方式也分为两种：

第一种：在变量列表创建结构体变量时初始化：

struct Student
{
	char name[20];
	int age;
}s1 = { "zhangshan",23 };

第二种：在单独创建时进行初始化：

struct Student
{
	char name[20];
	int age;
};
struct Student s1 = { "lisi",22 };

结构体的嵌套初始化：（在结构体中包含其他的结构体类型）

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

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

6.结构体的内存对齐

前面学会了结构体的声明与定义，那么该如何计算结构体的大小呢？这就涉及到结构体内存对齐的知识了，先看两个案例：

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

//练习2
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

运行结果：

两个成员个数和成员类型都相同，但是就因为顺序不同，导致了其占用的内存大小不一致。

1.offsetof宏

offsetof是一个宏，可以查看结构体中的某一个元素相对于起始位置的偏移量。

注意：offsetof宏需要包含 stddef.h头文件

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gcbjcLQp-1691404555003)(C:\Users\30539\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230807001812982.png)]

//计算S1中每个元素的偏移量：
int main()
{
    printf("%d ", offsetof(struct S1, c1));
    printf("%d ", offsetof(struct S1, i));
    printf("%d ", offsetof(struct S1, c2));
	return 0;
}

2.内存对齐规则

假定在结构体中，内存是由上到下进行增长的：结构体变量一旦被创建之后，就会选择内存中的一个位置作为偏移量为0的位置开始为结构体开辟空间，此时就需要遵守内存对齐规则了。

内存对齐规则：

1. 结构体的第一个成员永远从偏移量为0的位置开始存储。
2. 从第二个成员开始，往后的每一个成员都要对齐到偏移量为该成员的对齐数的整数倍位置处，并从当前位置开始存储该成员。（成员的对齐数的计算方法：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值。当成员中含有数组时，该数组的对齐数就是数组元素的大小和默认对齐数的较小值。在visual studio中，默认对其数是8，但是在gcc中就没有对齐数，所以在gcc中，成员的对齐数就是成员本身的大小）
3. 整个结构体的大小必须是最大对齐数的整数倍。（最大对齐数：第一个成员在内的所有成员的对齐数的最大值）
4. 假如在一个结构体S中嵌套的别的结构体P的情况，P则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最大对齐数（此时要将嵌套的结构体的最大对齐数也包含进来）的大小。

分析：以S1为例：先计算处每个成员的对齐数，方便后续使用，第一个成员c1，对齐到偏移量为0位置处。接着第二个变量i对齐到4的整数倍的偏移量处，也就是偏移量为4的位置处开始，占用四个字节。第三个变量c3，对齐到1的整数倍数，向下的偏移量为8的位置是满足需求的。这样算下来，结构体占用的空间就是9字节。但是不满足内存对齐的最后一条规则，所有结构体要接着向后包含三个空间（黄色部分），用于凑齐4的倍数。最终，S1结构体占用了12个字节的空间。分析结果与offsetof宏计算的结果也是吻合的。

但是这12个字节空间有6个空间都是被“浪费”掉了的。只有6个空间存储的有效数据。

根据内存对齐规则，不难算出，S2则占用了8个字节的空间。

3.练习

//Test01
struct S1
{
    double d;
    char c;
    int i;
};


//Test02 结构体嵌套问题
struct S2
{
    char c1;
    struct S1 s1;
    double d;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

运行结果：

结果分析：

7.内存对齐存在的合理性

大部分的参考资料都是这样讲的：

• 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。
• 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。

总的来讲：内存对齐是一种拿空间换取时间的做法

那么在设计结构体的时候，怎样避免不必要的内存浪费呢？

让空间小的结构体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;
};

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。

8.修改默认对齐数

修改默认对齐数使用的是 #pragma pack(8)

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
	return 0;
}

运行结果：

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

9.结构体传参

看案例：

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。

解释：

• 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：结构体传参时，要传递结构体的地址。

10.结构体实现位段

什么是位段：

位段的声明与结构体是类似的，但是有两个不同的地方：

1. 位段的成员必须是int、unsigned int 或signed int 。
2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。（这里的数字规定了该变量占用的二进制位是多少位，并不是字节数，而是二进制位数）

例如：

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

这里的A就是一个位段类型的声明。那么位段A的大小是多少呢？

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

    printf("%d ", sizeof(struct A));
    return 0;
}

11.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 （属于整形家族）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。

看一个位段的案例：

struct S
{
    char a : 3;
    char b : 4;
    char c : 5;
    char d : 4;
};
int main()
{
    struct S s = { 0 };
    printf("%d ",sizeof(s));
    s.a = 10;
    s.b = 12;
    s.c = 3;
    s.d = 4;
    return 0;
}

s变量的内存又是如何开辟的呢？（这里假设地址从左至右是增高的，并且按照的是小端存储。）

这里由于成员都是char类型的，所以会先开辟一个字节的空间，开始存储元素，第一个成员a占用3个二进制位（假设从低位开始存储），第二个成员b占用4个比特位。第三个成员c要占用5个比特位，但是此时只剩余一个比特位了，不足以存储c，所以还需要另外再开辟一个字节的空间用于存储c成员（假设第一个字节剩余的那一个比特位不再使用）。第四个成员d占用4个比特位，但是第二个字节只剩三个比特位了，此时仍需开辟一个字节的空间用于存储d成员。至此所有成员存储完毕。所以位段 struct S占用3个字节的空间。

接着对四个成员进行赋值，括号里的是实际存储在内存中的内容。（当二进制位高于内存中已分配好的二进制位时，高位的部分将会被舍弃，低位部分的内容会被保留）

最终存储的结果如图所示：那么从低地址到高地址读取内存中的内容（以四个二进制位位单位）那么就是：62 03 04，那么来验证一下。

注意：但是以上的分析都是针对visual studio编译器的，对于其他平台，不一定适用。

12.位段的跨平台性

位段的跨平台性是非常差的，因为不同的编译器的规则是不同的。具体原因如下：

• int 位段被当成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。（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。
• 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。（上面我的分析只是在visual studio编译器中适用）
• 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。（在visual studio编译器中则是直接舍弃，但是在其他编译器中就不得而知了）

结论：

跟结构体相比，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。

13.位段的应用

• 压缩数据结构：位段可以用于压缩数据结构，将多个成员存储在较小的内存空间中。通过使用适当的位宽，可以有效地减小数据结构的大小，减少内存占用。
• 位字段标志：位段可以用于表示某个标志或开关的状态。例如，一个字节中的每个位可以表示一个开关的状态，每个位的值为0或1，从而节省了额外的存储空间。
• 位掩码：位段可以用于进行位操作和位运算。通过使用适当的位宽，可以将多个标志或选项存储在一个字节或一个字中，并使用位操作来读取、设置或清除特定的位。
• 硬件寄存器表示：位段可以用于表示硬件寄存器的位字段。在嵌入式系统或底层编程中，位段可以方便地与硬件寄存器进行交互，以读取或设置特定的位。

2.完结

结构体的全部内容就到这里啦，若有不足，欢迎评论区指正，下期见！