【C语言】自定义类型之【结构体】

前言

C语言中结构体是一种用户自定义的数据类型，它相当于一个小型的数据结构，当我们在学数据结构阶段的时候，结构体的运用很常见，所以，基本的结构体的定义和使用，以及结构体大小的计算务必掌握。

结构体类型的声明

• 结构体的基础知识：

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。

• 声明的语法结构：

struct tag // 结构体类型名
{
 member-list; // 结构体成员
}variable-list; // 这里是可以直接在这里输入变量名，相当于创建了一个全局的结构体变量

例如定义一个学生变量（名字，年龄，学号）：

struct stu 
{
	char Name[20];  // 名字以字符串的形式存储
	int Age;
	char StuNum[20];  // 学号也以字符串的形式存储，因为可能学号很长，整型存储不下
};  // 分号必不可少

• 特殊的声明(结构体不完全声明): 匿名结构体声明：

struct    // 省略了tag
{
    int a;
    char b;
}x; // 匿名结构体全局变量x

struct    // 省略了tag
{
    int a;
    char b;
}y;  // 匿名结构体全局变量y

如果有这样一种操作：

y = &x;

• 这样合法么？ 当然是不行的，编译器会将这两个结构体变量当作是两个完全不同的两个类型，所以是非法的。

结构的自引用

如果在一个结构体成员当中包含本身，这样是否可行呢？

• 假如这样写：

struct node
{
	int a;
	struct node next;   // 这样是否可行能？？？？？
};

上面这种写法，很容易看出问题，会形成一个死循环。

• 另外一种写法：

struct node
{
	int a;
	struct node* next;  // 一个结构体指针
};

如果是这样写，next是一个指针，因此不会死循环，并且，next还是一个结构体指针，也就是说，next可以指向下一个自身类型的结构体（指向本身类型的结构体变量）。

例如：

struct node s1, s2;
s1.next = &s2;

所以这种写法是可以的。

• 我们再来看这一种写法：

typedef struct node
{
    int a;
    node* next;   
}node; 

这样的写法是不行的，因为遵循从上到下的原则，typedef结构体为node，其名在定义next之后，所以不行。

修正后：

typedef struct node
{
    int a;
    struct node* next;   
}node;

node s1; 

结构体变量的定义和初始化

定义

#include <stdio.h>

struct rand
{
	int x;
	int y;
}p1;  //声明类型的同时定义全局结构体变量p1

struct rand p2;  //定义全局结构体变量p2

int main()
{
	struct rand p3;  // 定义局部结构体变量p3

	return 0;
}

• 结构体嵌套：

struct tmp
{
	char a;
	int b;
};

struct rand
{
	int x;
	int y;
	struct tmp z;  // z为struct tmp类型，该类型有两个成员
}p1;  //声明类型的同时定义全局结构体变量p1

struct rand p2;  //定义全局结构体变量p2

int main()
{
	struct rand p3;  // 定义局部结构体变量p3

	return 0;
}

初始化

1.在main函数里初始化：

#include <stdio.h>

struct rand
{
	int x;
	int y;
}p1;

struct rand p2;

int main()
{
	p1.x = 5, p1.y = 2;
	p2.x = 5, p2.y = 2;
	struct rand p3 = { 5,2 };

	return 0;
}

2.创建变量时初始化：

#include <stdio.h>

struct rand
{
	int x;
	int y;
}p1 = { 5,2 }; // 在定义结构体的同时定义结构体变量p1，同时初始化p1

struct rand p2 = { 5,2 }; // main函数外

int main()
{
	struct rand p3 = { 5,2 };

	return 0;
}

3.结构体嵌套的初始化：

#include <stdio.h>

struct tmp
{
	char a;
	int b;
};

struct rand
{
	int x;
	int y;
	struct tmp z;
}p1;

struct rand p2;

int main()
{
	p1.x = 5;
	p1.y = 2;
	p1.z.a = 'i';
	p1.z.b = 0;

	p2.x = 5;
	p2.y = 2;
	p2.z.a = 'i';
	p2.z.b = 0;

	struct rand p3 = { 5,2,{'i', 0} };

	return 0;
}

#include <stdio.h>

struct tmp
{
	char a;
	int b;
};

struct rand
{
	int x;
	int y;
	struct tmp z;
}p1 = { 5,2,{'i', 0} };

struct rand p2 = {5, 2,{'i', 0} };

int main()
{
	struct rand p3 = { 5,2,{'i', 0} };

	return 0;
}

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。
• 这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐。

我们先看下面一个例子：

#include <stdio.h>

struct n1
{
	char a1;
	int x1;
	char b1;
};

struct n2
{
	char a2;
	char b2;
	int x2;
};

int main()
{
	printf("%d %d\n", (int)sizeof(struct n1), (int)sizeof(struct n2));

	return 0;
}

运行结果为：12 8

为什么运行结果会不一样呢？？？？？？

这就与结构体在内存中的存储形式有关，而结构体在内存中的存储结构方式又与结构体的内存对齐有关。

那么什么是内存对齐呢？

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 其他成员变量要对齐到某个数字（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 该成员大小的较小值。 VS中默认的对齐数值为8
3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

以上面的例子分析一波：

据此因为单个不同类型的成员的摆放位置不同，造成相同成员的两个结构体的大小不同，这是不是很奇妙呢？

• 那么为什么要有内存对齐呢？？？

大部分的参考资料都是如是说的：

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。

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：

就拿上面的那个例子来说，n1 和 n2，两个相同成员的结构体，一个大小为12，一个大小为8，那当然要选小的那个了，也就是n2。

• 实际上我们可以在自己的编译器上修改默认对齐数

我们可以通过 #pragma 来修改默认对齐数

例如

#include <stdio.h>

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct n1
{
    char c1;
    int x;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct n2
{
    char c1;
    int x;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct n1));
    printf("%d\n", sizeof(struct n2));
}

• n1的默认对齐数修改为8，那也就跟之前一样，也就是12；
• n2的默认对齐数修改为1，也就相当于没有内存对齐一样，直接在下一个位置就存放，因此大小为6；

如果结构体在对齐方式不合适的时候，那么我们可以自己更改默认对齐数。

结构体传参

对于下面的代码：

#include <stdio.h>

struct S
{
	double data[10000];
	int num
};

struct S s = { {1.0,2.0,3.0,4.0}, 1000 };

void print1(struct S s) // 结构体传参
{
	printf("%d\n", s.num);
}

void print2(struct S* ps) // 地址传递
{
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
	print1(s); // 传结构体
	print2(&s); // 传结构体指针

	return 0;
}

是 print1 好还是 print2 好？

答案是：首选print2函数。

因为： 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。

所以： 当结构体传参的时候，要传递结构体的地址；

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 。 2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

例如：

struct rand
{
    char _a:2; 
    char _b:5;
    char _c:4;
    char _d:6;
 // 这里的  _  和  :  是位段定义的基本语法
 // 这里的  2,5,4,6  是所占比特位的个数
};

rand就是一个位段类型，那位段rand的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct rand)); vs运行结果为4

位段的内存分配

• 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （属于整形家族）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，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>

typedef struct rand
{
	char _a : 2;
	char _b : 5;
	char _c : 4;
	char _d : 6;
}a;

int main()
{
	a a = { 4,4,10,5 };

	printf("%d\n", (int)sizeof(a));  // 3

	return 0;
}

当然int是以4字节开辟，存储方式与char差不多，按照上面方式去弄也是很容易自己弄出来的噢。

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。

所以：

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是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

写在最后

结构体的知识虽然较为简单，但其在数据结构当中的作用还是很重要的，因为一个数据它里面要有什么内容还是要结构体来整合。

感谢阅读本小白的博客，错误的地方请严厉指出噢！