【C/C++】自定义类型：结构体
文章目录
- 前言
- 自定义类型：结构体
- 1.结构体类型的声明
- 1.1 结构体回顾
- 1.1.1 结构的声明
- 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
- 1.2 结构的特殊声明
- 1.3 结构的自引用
- 2.结构体内存对齐
- 2.1 对⻬规则
- 2.2 为什么存在内存对齐？
- 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
前言
集成开发环境为vs2022
c语言有内置类型(char short int long flaot double long double)，也有自定义类型—结构体(struct) 枚举(enum) 联合体(union) 本篇幅介绍结构体
自定义类型：结构体
1.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。
1.1 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。
1.1.1 结构的声明
struct tag//标签名 { member-list;//成员 1个或多个 }variable-list;//变量列表例如描述⼀个学⽣：
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struct Book b2;//全局变量 int main() { struct Book b1;//局部变量 return 0; }1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include 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//这里不写名字 { int a; char b; float c; }s;//可以在这初始化 //}s={'x',100.3.14}; int main() { printf("%c %d %lf",s.c,s.i,s.d); }匿名结构体也可以重新命名
typedef struct { char c; int i; double d; }s;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：
在这之前先讲一下链表
数据结构–其实是数据在内存中的存储和组织的结构 数据有多种
线性数据结构：顺序表，链表，栈，队列
顺序表–数组
链表
//定义一个链表节点 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;//数据 struct Node* next;//指针 };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。
匿名结构体类型不能实现结构体的自引用
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;//上述代码等价于下边代码 struct Node { int data; struct Node* next; } typedef struct Node Node;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。
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
⾸先得掌握结构体的对⻬规则：
1.结构体的第1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.从第2个成员变量开始，都要对⻬到某个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齐数（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
//练习1 struct S1 { // 默认 对齐数 char c1;// 1 8 1 int i;// 4 8 4 char c2;// 1 8 1 }; printf("%d\n", sizeof(struct S1)); //练习2 struct S2 { char c1; char c2; int i; }; printf("%d\n", sizeof(struct S2)); //练习3 struct S3 { double d; char c; int i; }; printf("%d\n", sizeof(struct S3)); //练习4-结构体嵌套问题 struct S4 { char c1; struct S3 s3; double d; }; printf("%d\n", sizeof(struct S4));
2.2 为什么存在内存对齐？
⼤部分的参考资料都是这样说的：
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。
例如
struct S { char c;//1 int i;//4 };
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 { 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 #pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1 一般是2的次方数 linux中不能改 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？ 6 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。
3. 结构体传参
struct S { int data[1000];//4000字节 int num; }; struct S s = {{1,2,3,4}, 1000}; //结构体传参 void print1(struct S s)//s先拷贝，占用内存很大 { //for循环打印数组 printf("%d\n", s.num); } //结构体地址传参 void print2(const struct S* ps) { printf("%d\n", ps->num); printf("%d\n",ps->data[i]); } 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。
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 选择其他整型家族类型，⽐如：char。
2.位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
⽐如：
struct A { int _a:2;//只占两个bit位 int _b:5; int _c:10; int _d:30; };struct s { int _a;//4字节 32bit 可以节省30个字节 int _b; int _c; int _d; //00 0 //01 1 //10 2 //11 3 }A就是⼀个位段类型。
位段是专门用来节省内存的
那位段A所占内存的⼤⼩是多少？
// %zd 8字节 printf("%d\n", sizeof(struct A));//
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。
//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;//00001010 s.b = 12;//00001100 s.c = 3;//00000011 s.d = 4;//00000100 //空间是如何开辟的？在这之前我们先要了解一下内存的使用顺序
1.申请到的一块内存中，从左向右使用，还是从右向左使用，是不确定的 vs是从右向左
2.剩余空间，不是下一个成员使用的时候，是浪费呢？还是继续使用？ vs是浪费
4.3 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。
一个字节一个地址
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; }
