C语言⾃定义类型：结构体

在C语言中提供了许多内置类型，例如：int、short、long、longlong、char、float、double等，但是如果想描述一个学生时，这些单一的内置类型是无法做到的，描述一个学生需要包含名字、年龄、身高、体重等特征，为了解决这类问题，C语言中引入了结构体的概念，结构体这种自定义的数据类型，能让我们自己创建出合适的类型，那么接下来学习一下结构体该如何使用吧！！！

1. 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

定义结构体的基本形式：

struct tag   //结构体名称
{
    member-list;  //结构体成员列表
}variable-list;   //结构体变量列表

例如描述一个学生的基本信息：

struct stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	int stu_id[10];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
}

1.2 结构体变量的创建和初始化

既然已经学习了结构体是如何声明的，那么来看看结构体变量是如何创建和初始化的：

1.按照结构体成员顺序进行初始化、


#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	char stu_id[20];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
};
int main()
{
	//按照结构体成员的顺序初始化
	struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };//s就是结构体变量
	printf("name: %s\n", s.name);
	printf("age : %d\n", s.age);
	printf("sex : %s\n", s.sex);
	printf("stu_id : %s\n", s.stu_id);
	return 0;
}

2.按照指定的顺序初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20]; //学生姓名
	int age;       //学生年龄
	char stu_id[20];//学生学号
	char sex[5];   //学生性别
};
int main()
{
	struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .sex ="女" ,.stu_id = "20230818002"};
	printf("name: %s\n", s2.name);
	printf("age : %d\n", s2.age);
	printf("sex : %s\n", s2.sex);
	printf("stu_id : %s\n", s2.stu_id);
}

1.3 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明，例如：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}* p;

int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag），此时是匿名结构体类型，那么此时主函数中的p=&x 这个代码是合法的吗？

注意：编译器会把上⾯的两个声明（两个匿名结构体类型）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。

1.4 结构的⾃引⽤

结构体自引用指的是在结构体定义中，结构体本身作为该结构体类型中的一个成员出现，但是直接进行结构体自引用会引发无限递归的结构体定义，就是结构体试图包含自己，导致编译器无法确定结构体的大小。

例如：

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

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，那么正确的自引用方式是怎么样的呢？

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

使用指向自己类型的指针来实现自引用的效果，这种方式不会引发无限递归的问题，并且指针的大小是固定（4/8字节）。

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，要计算结构体大小，我们就要明白结构体成员在内存中是如何进行存储的，这就涉及到结构体内存对齐的问题。

2.1 对⻬规则

1. 结构体的第⼀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. 其他成员变量要对⻬到某个数字（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⻬数（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倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

什么意思呢？我们接下来根据实例进行探索（vs2022环境）

实例讲解

练习1：

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};

struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

S1与S2的区别就在结构体成员的位置的不同，那么里面的成员都是一样的，为什么S1和S2的大小是不一样的呢？这就涉及到结构体内存对齐的规则了。

画图演示：

所以此时S1的大小为12个字节，S2的大小也是通过对齐规则进行判断的，这里就不在进行演示啦。

练习2：(结构体嵌套问题)

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
//结构体嵌套问题
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    printf("%d\n", sizeof(struct S4));
    return 0;
}

接下来我们来计算一下S3和S4的大小，根据之前讲过的对齐规则，我们可以快速的计算出S3的大小是16个字节，那么我们重点来讲一下S4的大小该如何计算。

画图演示：

运行结果：

2.2 为什么存在内存对⻬？

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。

那么在设计结构体的时候，我们该如何尽可能的让占用空间更小呢？

解决办法：让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起，就比如练习一中的例子，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

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。

#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()
{
 printf("%d\n", sizeof(struct S));
 return 0;
}

运行结果：

这里将默认对齐数从8变成了1，再根据对齐规则，得到的大小就是6个字节。

3. 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;
}

结构体传参有两种方式：一种是值传递另一种是址传递

值传递的方式：调用函数的时候，系统要为函数的形参部分分配空间来存放实参的值，相当于又开辟了一份相同的空间。

址传递的方式：调用函数的时候，函数的形参部分用结构体指针接收实参的地址，指向的就是实参，系统不会再为形参部分开辟一份与实参相同的空间，可以节约对内存空间的占用。

那么print1（值传递）和 printf2（址传递）哪种方式更好呢？其实 printf2 址传递的方式更好

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，尽量传结构体的地址。

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类型。

2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。（表示成员在内存中所占的比特位）

例如：

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。

位段成员在内存中的分配方式（从左到右，从右到左）是由编译器决定的

//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？

画图演示：

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位机器最⼤32，写成27，在16位机器会出问题。

3. 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。

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。

例如：

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;
}