【C语言篇】结构体和位段详细介绍

前言

C语⾔已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，假设想描述学⽣，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不⾏的。

描述⼀个学⽣需要名字、年龄、学号、⾝⾼、体重等； 描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语⾔为了解决这个问题，增加了结构体这种⾃定义的数据类型，让程序员可以⾃⼰创造适合的类型。

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，如： 标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体。

结构体类型的声明

结构的声明

代码语言：javascript复制

struct tag
{
    member-list;
}variable-list;

描述一个学生：

代码语言：javascript复制

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 

结构体变量的定义和初始化

代码语言：javascript复制

//代码1：变量的定义 
struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1 
struct Point p2; //定义结构体变量p2 

//代码2:初始化。 
struct Point p3 = {10, 20};
struct Stu //类型声明
{
    char name[15];//名字 
    int age; //年龄 
};
struct Stu s1 = {"zhangsan", 20};//初始化 
struct Stu s2 = {.age=20, .name="lisi"};//指定顺序初始化

//代码3 
struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next; 
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化 
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化 

结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

代码语言：javascript复制

//匿名结构体类型 
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（tag）。

那么问题来了?

代码语言：javascript复制

//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。

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呢？

⽐如，定义⼀个链表的节点：

代码语言：javascript复制

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：

代码语言：javascript复制

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？

代码语言：javascript复制

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

代码语言：javascript复制

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

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结构体成员访问操作符

结构体成员的直接访问

结构体成员的直接访问是通过点操作符.访问的。

点操作符接受两个操作数。如下所⽰：

代码语言：javascript复制

#include <stdio.h>
struct Point
{
    int x;
    int y;
}p = {1,2};
int main()
{
    printf("x: %d y: %dn", p.x, p.y);
    return 0;
}

使⽤⽅式：结构体变量.成员名

结构体成员的间接访问

有时候我们得到的不是⼀个结构体变量，⽽是得到了⼀个指向结构体的指针。如下所⽰：

代码语言：javascript复制

#include <stdio.h>
struct Point
{
    int x;
    int y;
};
int main()
{
    struct Point p = {3, 4};
    struct Point *ptr = &p;
    ptr->x = 10;
    ptr->y = 20;
    printf("x = %d y = %dn", ptr->x, ptr->y);
    return 0;
}

使⽤⽅式：结构体指针->成员名

综合举例：

代码语言：javascript复制

#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Stu
{
    char name[15];//名字 
    int age; //年龄 
};
void print_stu(struct Stu s)
{
    printf("%s %dn", s.name, s.age);
}
void set_stu(struct Stu* ps)
{
    strcpy(ps->name, "李四");
    ps->age = 28;
}
int main()
{
    struct Stu s = { "张三", 20 };
    print_stu(s);
    set_stu(&s);
    print_stu(s);
    return 0;
}

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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

对齐规则

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。

offsetof

我们可以使用offsetof来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

头文件：stddef.h

代码语言：javascript复制

offsetof (type,member)

例子如下：

代码语言：javascript复制

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int n;
};

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

int main()
{
	struct S1 s1 = {0};
	printf("%zdn", offsetof(struct S1, c1));//0
	printf("%zdn", offsetof(struct S1, c2));//1
	printf("%zdn", offsetof(struct S1, n));//4
	
	printf("%zdn", offsetof(struct S2, c1));//0
	printf("%zdn", offsetof(struct S2, n));//4
	printf("%zdn", offsetof(struct S2, c2));//8

	return 0;
}

在VS环境下

代码语言：javascript复制

//练习1 
struct S1
{
    char c1;//1 8  1
    int i;//4 8    4
    char c2;//1 8  1 
};
printf("%dn", sizeof(struct S1));//12
//练习2 
struct S2
{
    char c1;//1 8   1
    char c2;//1 8   1
    int i;//4 8     4
};
printf("%dn", sizeof(struct S2));//8
//练习3 
struct S3
{
    double d;//8 8   8
    char c;//1 8     1
    int i;// 4 8     4
};
printf("%dn", sizeof(struct S3));//16
//练习4-结构体嵌套问题 
struct S4
{
    char c1;//1 8    1
    struct S3 s3;//  8（自身成员最大对齐数为8，自身大小为16）
    double d;//8 8   8
};
printf("%dn", sizeof(struct S4));//32

为什么存在内存对齐

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。

1. 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。并且在读完后还存在拼数据，效率很低

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

代码语言：javascript复制

//例如： 
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};//12
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};//8

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。

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。

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#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1 
struct S
{
    char c1;//1 1 1
    int i;//4 1   1
    char c2;//1 1 1
};
#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("%dn", sizeof(struct S));//6
    return 0;
}

---

结构体传参

代码语言：javascript复制

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("%dn", s.num);
}
//结构体地址传参 
void print2(struct S* ps)
{
    printf("%dn", 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

其实就是传址调用和传值调用的区别，当结构体所占字节数过大时，形参是实参的拷贝，使用传值调用则会占用空间很大，数据拷贝花费时间很多，导致性能下降

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

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。

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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？

位段的内存分配

位段中的位指的是二进制位

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。

其实就是我们有时候知道一个整型只需要表示0,1,2，我们就不需要给32个比特位，只需要2个比特位就可以，位段的实现理念就是这样的

代码语言：javascript复制

//⼀个例⼦ 
struct S
{
    //后面的数字表示比特位
    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？ 

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（sizeof(int)=2），32位机器最⼤32。 比如写成int _a: 20;，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。

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。

代码语言：javascript复制

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;
}

以上就是关于自定义类型：结构体的详细介绍啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，您的支持是我创作的最大动力！❤️

变量 内存 数据 int struct

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