【C语言】结构体（及位段）
爱摸鱼的孔乙己 2024-06-12 10:35:02 阅读 99
你好！感谢支持孔乙己的新作，本文就结构体与大家分析我的思路。
希望能大佬们多多纠正及支持 ！！！
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目录
1. 声明结构体
1.1. 结构体的声明
1.2. 结构体变量的创建与初始化
1.3. 结构体的特殊声明
1.4. 结构体的自引用
2. 结构体内存对齐
2.1. 对齐规则
2.1.1. 常规内存对齐
2.1.2. 嵌套结构体内存对齐
2.2. 为什么存在结构体对齐
2.2.1. 平台原因（移植原因）
2.2.2. 性能原因
2.2.3. 改善方法
2.3. 修改默认对齐数
3. 结构体实现传参
4 . 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. 位段注意事项
1. 声明结构体
Leading ~~ 结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，它可以包含多个不同数据类型的成员变量，这些成员变量可以根据需要进行组合，形成一个新的数据类型。结构体可以用来表示现实世界中的复杂数据结构，比如表示一个学生或者一辆车的信息等。
1.1. 结构体的声明
结构体是⼀些值的集合，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。例如，描述一个学生的信息：
struct student {char name[20];//姓名int age;//年龄char sex[9];//性别char number[20];//学号};
其中，包含学生的姓名、年龄、性别、学号这些字符数组，整形数据等等不同数据类型的成员变量。
1.2. 结构体变量的创建与初始化
创建结构体变量，对其进行初始化，可以依次进行赋值（输入数据），也可以使用“ . +成员变量名 ”来指定顺序赋值（输入数据 ）。
#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;}
1.3. 结构体的特殊声明
在声明结构体的时候，可以不完全的声明。当然，这样声明的结构体只能在创建的时候对其 进行赋值（输入数据）。
//创建匿名结构体变量struct {char name[20];int age;double height;} S = { "李四", 23, 1.82 };
如果要再次使用，必须要对结构体类型重命名（使用typedef对其重命名），如下：
//对匿名结构体重命名typedef struct Stu {char name[20];int age;double height;}Stu;
1.4. 结构体的自引用
在结构中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是否可以？ ⽐如，定义⼀个链表的节点，如下：struct Node{ int data; struct Node next;};
究其根本，其实是行不通的，毕竟在一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，内存就会 变得无穷大，我们可以采取指针的方式进行自引用，如下：
struct Node{ int data; struct Node* next;}; 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;
2. 结构体内存对齐
2.1. 对齐规则
首先，我们来了解一下结构体内存对齐规则，如下：
| 1. 结构体的第一个成员对齐到结构体变量起始位置偏移量为0的地址。 |
| 2. 其他成员变量要对齐到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 |
| Visual Stdio 2022中默认值为8（字节） |
| Linux中gcc没有对齐数，因此对齐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齐数，所有对齐数中最⼤ 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）的整数倍。 |
我们通过一些例题具体分析结构体对齐的场景，如下：
2.1.1. 常规内存对齐
struct s1{char c1;int i;char c2;};
在s1结构体中，有char类型的c1，int类型的i以及char类型的c2，如果仅仅从类型字节大小来说，这里应该占用1+4+1=6（字节），但由于结构体中存在内存对齐，结果却是12（字节）。
究其原因， 我们分析一下这些变量在内存中的排布情况：
首先，结构体的第一个成员对齐到结构体变量起始位置偏移量为0的地址,所以我们将char （绿色区块）放在起始位置偏移量为0的地址。对于int i （占用4个字节）要对齐到对齐数的整数倍（VS中默认对齐数是8，int是4，因此对齐数取4）的地址处，也就是偏移量为4的地址处，因此前3个字节将会被浪费。紧接着char c2（黄色区块）默认对齐数是1，又根据“ 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”，也就是4的整数倍（12），因此也会损耗3个字节空间。
2.1.2. 嵌套结构体内存对齐
根据上述结果推算出struct S3在内存中占用16个字节，将其嵌套在struct S4中结果会是多少呢
struct S3{double d;char c;int i;};struct S4{char c1;struct S3 s3;double d;};int main() {//printf("%d\n", sizeof(struct S3));printf("%zd\n", sizeof(struct S4));return 0;}
这里我们就要注意对齐的最后一条规则：
| 4. 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）的整数倍。 |
从上述源码中，不难看出嵌套结构体成员（struct S3）的最大对齐数就是8，以及S4中最大对齐数也是8，因此结构体（struct S4）的大小就8的整数倍，从内存排列情况如下：
结果，无疑就是占用32个字节 ！ ！！
2.2. 为什么存在结构体对齐
2.2.1. 平台原因（移植原因）
毕竟，不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，对于某些硬件平台只能在某些地址处取某些特特定类型的数据，否则会发生硬件异常。
2.2.2. 性能原因
数据结构（尤其是栈）应该尽可能在自然边界对齐。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；而对齐的内存仅需要一次访问。假如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。假如我们能保证所有的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：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
2.2.3. 改善方法
我们在设计结构体的时候，我们既需要满足对齐，又要节省空间，因此，我们可以在创建结构体的时候，让占用空间小的成员集中在一起，如下：
struct S1{char c;int i;char b;};
struct S1{char b;char c;int i;};
在这两组数据中，我们可以发现，他们的成员变量是一致的，但由于在创建时先后顺序不一致，致使他们在内存中存储情况不相同。
2.3. 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⻬数。
#include <stdio.h>#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1struct 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;}
3. 结构体实现传参
我们在传入参数的时候，有两种形式，一种是“传值输入”，另一种是“传址输入”。
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(const struct S* ps){ printf("%d\n", ps->num);}int main(){ print1(s); //传结构体 print2(&s); //传地址 return 0;}
通过实践说明 ，print2相对于print1，会更加优越，原因如下：
| 1. 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 |
| 2 . 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 |
总而言之， 结构体传参的时候，我们要传递结构体的地址。
4 . 位段
4.1. 什么是位段
我们可以定义一个结构体中的字段使用的位数(bit位)。这样可以在存储数据时更加灵活和节省空间。接着我们分析一下位段与结构体的一些差异，如下：
| 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 |
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。 |
#include<stdio.h>struct S{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;};int main() {struct S s = { 0 };s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;printf("%zd", sizeof(struct S ));return 0;}
相对比结构体而言，位段有效地节省了空间大小 ,接下来，我们观察位段在内存中的具体情况
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位机器上最大32） |
| 3 . 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是反之，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，无法容纳第一个位段剩余的位时 |
| 是选择舍弃还是继续利用，也是不确定的 |
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. 位段注意事项
因为位段中的成员变量有可能在同一个字节上，因此有些成员的起始地址并不是某个字节的地址，那么这些位置其实就是没有地址的，再者说，内存中每个字节分配一个地址，故而一个字节内部的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;}
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