文章目录

1. 结构体类型的声明1. 1 结构体声明1. 2 结构体变量的创建和初始化1. 3 结构体的特殊声明1. 3 结构体的自引用

2. 结构体内存对齐2. 1 对齐规则2. 2 为什么存在内存对齐2. 3 修改默认对齐数

3. 结构体传参4. 结构体实现位段4. 1 什么是位段4. 2 位段成员的内存分配4. 3 位段的跨平台问题4. 4 位段的使用4. 5 位段使用的注意事项

1. 结构体类型的声明

1. 1 结构体声明

格式如下：

<code>struct tag

{ -- -->

member - list;//结构成员，可以不止一个

}variable - list;//在这里可以直接创建结构体变量，可以用逗号隔开来创建多个，不能初始化

例如描述一个学生：

struct student//这个结构体的名称

{ //以下是结构成员

char name[20];//姓名

char sex[5];//性别

int age;//年龄

char id[10];//学号

}A, B;//声明结构体时创建了学生A和B，注意分号不能丢

进行声明时，还可以使用 typedef 进行重命名：

typedef struct student

{

char name[20];

char sex[5];

int age;

char id[10];

}ST;//之后创建结构体变量时，就可以将 ST 作为类型使用了，注意这样就无法在声明结构体时创建变量了

1. 2 结构体变量的创建和初始化

除了在声明时创建变量，还可以像创建int等其他变量一样创建并初始化结构体变量。

#include<stdio.h>

struct student

{

char name[20];

char sex[5];

int age;

char id[10];

}A, B;

void Print(struct student S)

{

printf("%s %s %d %s\n", S.name, S.sex, S.age, S.id);

}

int main()

{

//按照定义顺序初始化

struct student s1 = { "张三","man",15,"122111" };

Print(s1);

//按照指定顺序初始化

struct student s2 = { .age = 18,.id = "454541",.name = "fhvyxyci",.sex = "man" };

Print(s2);

return 0;

}

1. 3 结构体的特殊声明

//匿名结构体变量

struct

{

int a;

char b;

float c;

}x;

struct

{

int a;

char b;

float c;

}a[20], * p;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签。

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;

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（使用 typedef ）重命名的话，基本上只能使用一次。

1. 3 结构体的自引用

1. 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（一种数据结构）的节点：

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;

struct Node* next;//这里放上一个指针，就合理多了

};

2. 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：定义结构体不要使用匿名结构体。

typedef struct Node

{

int data;

struct Node* next;//这里要使用没有重命名的名字

}Node;

2. 结构体内存对齐

2. 1 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产到某个数字(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 该成员变量大小的最大值的较小值。

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。

来做几个练习巩固一下：

练习一：

#include<stdio.h>

struct S1

{

char c1;

int i;

char c2;

};

int main()

{

printf("%zd\n", sizeof(struct S1));

return 0;

}

首先 c1：根据对齐规则1，c1占1个字节，和结构体处于同一个地址。

然后 i ：根据对齐规则2，i需要对齐到相对结构体地址的偏移量为4的位置，所以i的起始地址相对结构体是4，目前结构体大小为8。

然后c2：占一个字节，结构体大小直接+1（任何偏移量都是1的倍数，所以不需要额外偏移）。

最后，根据对齐规则3， 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （以VS为例，8）与 该成员变量大小的最大值的较小值，这里显然对齐数是4，因此9的下一个对齐数的倍数是12，所以结构体的大小是12。

图解：

输出结果：

代码二：

<code>#include<stdio.h>

struct S2

{ -- -->

char c1;

char c2;

int i;

};

int main()

{

printf("%zd\n", sizeof(struct S2));

return 0;

}

c1不比多说，来看c2：char类型的大小是1，任何偏移量都一定是1的倍数，所以到了c2，结构体的大小是2。

接着看i：int变量的大小是4，2后面的最小的4的倍数是4，所以此时结构体的大小是8。

最后对齐数也是4，所以结构体的大小就是8。

图解：

输出结果：

代码三：

<code>#include<stdio.h>

struct S3

{ -- -->

double d;

char c;

int i;

};

int main()

{

printf("%zd\n", sizeof(struct S3));

return 0;

}

首先d：double 类型为8个字节。

然后c：结构体大小+1。

然后i：9后面第一个4的倍数是12，所以从12开始向后+4。

最后对齐数：对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 （8）与 该成员变量最大值的较小值（8），所以对齐数是8，最终大小就是16。

图解：

运行结果：

；练习四：

<code>//结构体嵌套问题

#include<stdio.h>

struct S3

{ -- -->

double d;

char c;

int i;

};

struct S4

{

char c1;

struct S3 s3;

double d;

};

int main()

{

printf("%zd\n", sizeof(struct S4));

return 0;

}

c1不再赘述，来看这个 s3:

s3的对齐数是8，所以s3的偏移量为8，上面我们已经算出了S3的大小是16，所以现在S4的大小是24。

因为24是8的倍数，所以d就再向后找8个地址，是32。

S4的偏移量是S4中所有除了S3以外的元素和S3的所有成员的大小中的最大值与默认对齐数8之间的较小值，是8，所以S4的大小是32。

图解：

输出结果：

2. 2 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<code>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。

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。

例如：

struct S1

{ -- -->

char c1;

int i;

char c2;

};

struct S2

{

char c1;

char c2;

int i;

};

经过上面的计算，你会发现虽然这两个结构体的成员一样，但是大小却差的很多。

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齐数。

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1

struct S

{

char c1;

int i;

char c2;

};

#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认

int main()

{

//输出的结果是什么？

printf("%zd\n", sizeof(struct S));

return 0;

}

结果是6：

说明对齐数是在结构体声明时计算的，而不是调用时。

尽管使用场景可能比较少，但是在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

3. 结构体传参

<code>#include<stdio.h>

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（可以理解为拷贝实参到形参），会有时间和空间上的系统开销。

传递一个结构体对象，结构体过大，参数压栈的的系统开销就大，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，但是有两个不同：

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。

比如：

struct A

{

int _a : 2;

int _b : 5;

int _c : 10;

int _d : 30;

};

A就是一个位段类型。

那位段A所占内存的大小是多少？

是8。

我们来了解一下。

4. 2 位段成员的内存分配

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（比如上一行），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

#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;

//空间是如何开辟的？

return 0;

}

在VS上是这样开辟的：每个字节从右向左使用，如果下一个位段成员比较大，就舍弃该字节中剩下的比特位去开辟新的字节。

那么上面的那个8字节也就很好分析出来了。

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。

4. 4 位段的使用

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比特位就能描述，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，一个字节内部的比特位是没有地址的。

所以不能对位段的成员使用<code>&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

#include<stdio.h>

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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