C语言--结构体详解

C语言--结构体详解

  • 1.结构体产生原因
  • 2.结构体声明
    • 2.1 结构体的声明
    • 2.2 结构体的初始化
    • 2.3结构体自引用
  • 3.结构体内存对齐
    • 3.1 对齐规则
    • 3.2 为什么存在内存对齐
    • 3.3 修改默认对⻬数
  • 4. 结构体传参

1.结构体产生原因

C语言将数据类型分为了两种,一种是内置类型,如:char、short、int、long、float、double等,这些内置类型能够很好的描述单个物体的某一具体特性,但是假设我想描述学⽣,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。

定义: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

2.结构体声明

2.1 结构体的声明

结构体一般定义如下:

struct tag//struct是关键字,tag是结构类型名称,自拟,struct tag是结构体变量类型
{member-list;//{}中间是用于描述的变量集合
}variable-list;//variable-list是struct tag的变量声明
//variable-list == struct tag variable-list

例如描述一个学生:

struct Student
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
}std; //分号不能省,std == struct Student std

2.2 结构体的初始化

#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,即名字,年龄,性别,学号struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };//这种方式初始化不可调整顺序,且必须包含所有元素信息,否在会发生信息错误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,可随意自行struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥}//这种方式初始化可任意调整顺序,不必按照结构体的声明顺序进行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;
}

特殊结构体声明:在声明结构的时候,可以不完全的声明。

//匿名结构体类型,即不对结构体命名
struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20], *p;

如果没有对匿名结构体类型重命名的话,基本上只能使⽤⼀次。

2.3结构体自引用

结构体中可以引用自身,正确引用方式如下:

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

struct Node* next是定义的一个变量为next的结构体变量。
此处不可改为struct Node next,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。
简单来说就是结构体中只能使用结构体指针。

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

typedef 是将 struct Node 重命名为 Node ,即 struct Node == Node ,Node 是struct Node 的重命名为,但是在结构体里面不能直接使用 *Node,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,因为在使用*Node之前,Node是不存在的,只能在Node出现之后才能使用。

3.结构体内存对齐

3.1 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。

//练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

在这里插入图片描述
规则 1 :如图假设是一块内存区域,结构体从 “0” 的位置开始往后存放,那么c1的偏移量就是0。

规则2:int 类型的对齐数为4,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是4,i 的内存就是从偏移量为4的位置开始,中间的 “1,2,3” 会被浪费掉。

char类型的对齐数是1,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是1,c2 内存就是从偏移量为8的位置开始.

规则3:结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍,即为4,中间的“9,10,11”会被浪费掉,所以最后的结果为12.

//练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

在这里插入图片描述
规则 1 :如图假设是一块内存区域,结构体从 “0” 的位置开始往后存放,那么c1的偏移量就是0。

规则2:char类型的对齐数是1,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是1,c2 内存就是从偏移量为1的位置开始.

int 类型的对齐数为4,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是4,i 的内存就是从偏移量为4的位置开始,中间的 “2,3” 会被浪费掉。

规则3:结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍,即为4,所以最后的结果为8.

//练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

在这里插入图片描述
规则 1 :如图假设是一块内存区域,结构体从 “0” 的位置开始往后存放,那么d的偏移量就是0。

规则2:char类型的对齐数是1,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是1,c 内存就是从偏移量为8的位置开始.

int 类型的对齐数为4,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是4,i 的内存就是从偏移量为12的位置开始,中间的 “9,10,11” 会被浪费掉。

规则3:结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍,即为8,所以最后的结果为16.

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

在这里插入图片描述
规则 1 :如图假设是一块内存区域,结构体从 “0” 的位置开始往后存放,那么c的偏移量就是0。

规则2、4:由上面可知结构体s3的大小为16,结构体s3⾃⼰成员中最⼤对⻬数是8,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就是8,s3 内存就是从偏移量为8的位置开始,中间部分会被浪费掉。

double 类型的对齐数为8,编译器默认的对⻬数是8,二者取小值就8,d 的内存就是从偏移量为24的位置开始.

规则3:结构体的大小一定为最⼤对⻬数的整数倍,即为8,所以最后的结果为32.

3.2 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。

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。

让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起

3.3 修改默认对⻬数

#pragma pack() 这个预处理指令,可以改变编译器的默认对⻬数,括号中填要更改的对齐数。

#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()
{//输出的结果是什么?printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

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。

4. 结构体传参

结构体传参一般有两种方式,即传值传参和传址传参

struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};//结构体传值传参
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;
}

结构体一般使用的是传址传参,因为函数传参的时候,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,要传结构体的地址。

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