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结构体类型的声明
前面我们在学习操作符的时候,已经学习了结构体的知识,这里稍微复习一下
结构体回顾
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
结构的声明
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
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;
}
结构的特殊声明
匿名结构体类型
在声明结构的时候，可以不完全的声明｡ 在声明结构的时候，可以不完全的声明｡ 在声明结构的时候，可以不完全的声明｡
- 匿名结构体类型 - 只能使用一次，后期不能使用这个类型再创建变量
- 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
//匿名结构体类型 - 只能使用一次，后期不能使用这个类型再创建变量
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x,y,z; //
struct
{
int a;
char b;
float c;
}* ps;
int main()
{
ps = &x; //编译器报错
return 0;
}
对结构体
t
y
p
e
d
e
f
对结构体typedef
对结构体typedef
typedef struct
{
int a;
char b;
float c;
}S;
//struct S //其实极为类似
//{
// int a;
// char b;
// float c;
//};
struct Stu s5, s6;//全局变量
int main()
{
S s1;
S s2;
return 0;
}
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？ 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？ 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？
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 : 正确的自引用方式: 正确的自引用方式:
//正确的写法
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 t y p e d e f 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？ 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？ 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;
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｡
- 这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐
对齐规则
- 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
- 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｡
- 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员变量大小的较小值｡
- VS 中默认的值为 8
- Linux 中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
- 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｡
- 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成员中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 (含嵌套结构体中成员的对齐数—嵌套结构体的对齐数即为成员最大对其数) 的整数倍｡
- 如果成员是数组，那么是按照数组元素类型的对齐数与编译器默认的对齐数的最小值，注意也不是整个数组，与上一个类似
为什么存在内存对齐？
- 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｡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：
总体来说：
总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法｡
CPU 读取内存时，喜欢 “按自己的字长整块读”，不喜欢跨块读。
举个最通俗的例子：
- 32 位 CPU：一次读 4 字节
- 64 位 CPU：一次读 8 字节
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:比如先小后大的写结构体成员
//例如：
struct S1
{
char c1; //1
int i; //4
char c2; //1
};//1+3+4+1=9 -> 12
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};//1+1+2+4=8
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
//设置的一般都是2的次方数
#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()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
设置的一般都是2的次方数
那我为啥不直接把对齐值全改成 1，这样最省空间？
- 偏移对齐 = 为了 CPU 读取快、不崩溃
- 强行改成 1 字节对齐 = 能省空间，但可能崩、变慢、不可移植
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｡
结构体实现位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力
什么是位段
位段的声明和结构是类似的，有两个不同:
- 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｡
- 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字｡
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
位段的内存分配
- 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，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
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？
注意：虽然结构体压栈是从高地址向低地址压栈，但是压栈后的空间，是按照先定义的成员为压栈空间中的低地址，后定义成员为高地址
-
一个字节(整型)的内存中，到底是从左向右使用，还是从右向左使用不确定
假设从右向左使用，vs上正确 -
剩余的空间不能满足下一个成员的时候，是否浪费，不确定
假设浪费，vs上正确
位段的跨平台问题
- 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｡
- 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｡
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｡
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｡
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;
}
位段内存计算练习
struct Test4 {
char a : 3;//3bit 对齐数1
int b : 20;//20bit，以int为单元(4字节) 对齐数4
short c;//普通short，2字节 对齐数2
char d : 5; //5bit 对齐数1
double e;//普通double，8字节 对齐数8
};
1.排a:3:char单元1字节，剩5bit。
2.排b:20:int单元要求4字节对齐，当前地址0x01不是4的倍数，补3字节，新开1个int单元(4字节)存b:20，剩12bit。累计:1+3+4=8字节。
3.排shortc:short要求2字节对齐，当前地址0x08是2的倍数，直接存放，占2字节->累计10字节。
4.排d:5:char单元1字节，直接存放，占1字节->累计11字节。
5.排double e:double要求8字节对齐，当前地址0x0B不是8的倍数，补5字节，存放e占8字节->累计11+5+8=24字节。
6.整体对齐:最大成员是double(8字节)，24是8的倍数，无需补位。
最终大小:24字节
转载自CSDN-专业IT技术社区
原文链接：https://blog.csdn.net/2401_83075246/article/details/160156274
