C语言之自定义类型:结构体

目录

    • 1. 结构体类型的声明
      • 结构体回顾
        • 结构的声明
    • 2. 结构体变量的创建和初始化
      • 结构体的特殊声明
      • 结构体的自引用
    • 3. 结构体内存对齐
      • 对齐规则
        • 对齐规则练习1
        • 对齐规则练习2
        • 对齐规则练习3
        • 对齐规则练习4
      • 为什么存在内存对齐
      • offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
      • 修改默认对齐数
    • 4. 结构体传参
    • 5. 结构体实现位段
      • 什么是位段
      • 位段的内存分配
      • 位段的垮台问题
      • 位段的应用
      • 位段使用的注意事项

1. 结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候,已经学习了结构体的知识,先稍微复习一下。

结构体回顾

结构体是一些值得集合,这些值被称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。

结构的声明

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

例如描述一个学生:

struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
};//不要忘记分号

2. 结构体变量的创建和初始化

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
};//不要忘记分号int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "zhangsan",20,"男","202012100" };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struct Stu s2 = { .age = 18,.name = "lisi",.id = "1210010",.sex = "女" };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;
}

结构体的特殊声明

在声明结构体的时候,可以不完全的声明

//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?

//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

在结构体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:

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大,是不合理的。

正确的自引用方式:

struct Node {int data;//存放数据struct Node* next;//存放写一个节点的地址
};

在结构体自引用使用过程中,夹杂了typedef对匿名结构体类型的重命名。也容易引入问题,看看下面的代码,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。

解决方案如下:定义结构体不要使用匿名结构体了

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

3. 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

看一个代码:

为什么大小是有差异的呢?

又是怎么来计算的呢?

struct s1
{char c1;char c2;int i;
};struct s2
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct s1));printf("%d\n", sizeof(struct s2));return 0;
}

在这里插入图片描述

对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则:

  1. 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

  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变量大小的较小值
    VS中默认的值为8
    Linux中gcc没有默认参数,对齐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齐数,所有对齐数中最大的)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自己的成员中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(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。

对齐规则练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12return 0;
}

在这里插入图片描述

对齐规则练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8return 0;
}

在这里插入图片描述

对齐规则练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16return 0;
}

在这里插入图片描述

对齐规则练习4
struct S3
{double d;char c;int i;
};struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32return 0;
}

在这里插入图片描述

为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是这样说的

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;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。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

让占用空间小的成员尽量集中在一起

就如练习1和练习2,两个类型成员一模一样,但是S1和S2所占用空间的大小有了一些区别。

offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

//宏
//offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
#include <stddef.h>//得包含头文件
struct s1
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%zd\n", offsetof(struct s1, c1));//0printf("%zd\n", offsetof(struct s1, c2));//1printf("%zd\n", offsetof(struct s1, i));//4return 0;
}

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。

#pragma pack(1)//设置默认对齐为1struct S
{char c1;int i;char c2;
};#pragma pack()//取消设置的对齐数,还原为默认int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S));//6return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。

4. 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;
}

上面应首选print2函数

函数传参的时候,参数是需要压栈,会有事件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。

5. 结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。
位段是基于结构体的
位段的出现就是为了节省空间

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
struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct A));//8
}

A就是一个位段类型。
位段A所占内存的大小是8字节

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
//一个例子
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?

在这里插入图片描述

位段的垮台问题

  1. int位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的
  2. 位段中最大的数目不确定。(16位机器最大,32位机器最大,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. 当一个结构体包含两个位段,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,并且可以很好地节省空间,但是有跨平台的问题存在

位段的应用

下面是网络协议中,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

在这里插入图片描述

位段使用的注意事项

位段的几个成员共有一个字节,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。

struct A
{int _a : 32;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};int main()
{struct A sa = { 0 };scanf("%d", &sa._b);//错误方式//正确演示int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}

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