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1、前言

在笔者大前篇中记录了有关结构i的一些基本知识，主要是有关结构体类型名、变量名、成员名以及typedef的运用，链接: link，有兴趣的朋友可以看看

简单复习下

struct tag//类型名
{char m;//成员名1int i;//成员吗2
}p;//变量名typedef struct tag//类型名
{char m;//成员名1int i;//成员名2
}p;//类型名，因为typedef的存在

接下来，我打算跟大家粗略地介绍一下结构体变量的创建和初始、结构体的特殊声明和结构体的自引用，重点介绍下结构体的内存对齐，以及位段的概念和使用。

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2、结构体变量的创建和初始

结构体变量的创建一般就两种方法，按照顺序和不按照顺序的

#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struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };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 = "20230818002", .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;}

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3、结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

// 匿名结构体类型
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。

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3、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:

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：

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?

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用Node类型来创建成员变量，这是不行的。

解决方法如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了

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

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5、结构体的内存对齐

5.1 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 没有默认对齐数，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齐到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。

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• 接下来放几段代码让大家的理解更深刻下

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

根据上面介绍的几段规则，如果不了解结构体对齐规则的话可能会产生左边这种储存认知，认为char类型1个字节，int类型4个字节，然后再char类型1个字节，最后6个字节，但是这样是错误的

我们观察右边的正确储存方式

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，所以开始位置储存char类型1个字节
2. 因为对齐规则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，所以int类型4个字节，不能直接存储而是要空出3个字节的大小，对齐到4个字节的位置处才能存储
3. char类型1个字节，它本身就对齐了
4. 因为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。，所以当前时9个字节，需要补充道4个字节的整数倍也就是12个字节，所以最后输出的结构体大小也是12个字节

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• 我们再来看一个略有不同的结构体情况

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

而根据刚刚提到的几条规则我们可以得出的结果是8个字节，原因就在于，前两个字符类型都是一个字节，没有空余出来需要对齐的空间，直到整形类型的出现，需要空出两个字节来对齐4个字节，所以最后得到的结果是8

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• 接下来我们再来深刻地理解下总结构体大小的情况

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

我们会发现因为最后一个char的存在，导致这个结构体的大小最后会直接空闲出7个字节，最终是24个字节
如果没有左边最后一个字节的话，就能够像右边一样最终是16个字节

由此可见如果结构体内部顺序如果没有调整妥当，就会产生这种浪费大量内存的情况

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• 我们再来看看结构体嵌套情况的大小

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

我们发现如果不算s3嵌套结构体的内置对齐数，外界的对齐数，其实就是4个字节，但是根据上面提到的最后一点规则如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到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。

我们需要让外面的int和char类型也对齐8个字节的对齐数，那么最后产生的结果就是40个字节，这里实在是太长了，影响阅读体验，但是画法和理解方法都跟之前一样，就不画出来了

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5.2 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。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，那么最好的方法就是让占用空间小的成员尽量集中在一起

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

这样一来下面的结构体就比上面的结构体小了4个字节，但是储存的内容一样

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5.3 修改对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S1 {char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
struct S2 {char c1;int i;char c2;
};
int main() {//输出的结果是什么？printf("%d\n%d", sizeof(struct S2), sizeof(struct S2));return 0;
}

我们观察一下上述代码，再S1结构体创建过程中，最带对齐数是1，后面又恢复默认了也就是8，但是因此两个成员类型完全一样的结构体，他们的大小却不一样，前者为6，后者为12

具体情况就如下图，前面没有对齐数，所以他们各个成员是紧挨着的，S2就不一样了,因为对齐规则的存在空了好多内存

但这样提示了我们 - 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

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6、结构体实现位段

6.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同:

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。
位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

//位段式的结构
struct A {int _a: 2;int _b: 5;int _c: 10;int _d: 30;
};

比如上面这一段代码就用到了位段，而它的大小是其实只有8个字节。

具体分析往下看

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6.2 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。

由于上一串代码是int类型，一次需要横着开辟32个bit位，所以我们以char类型的结构体为例

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;return 0;
}

开始分析

1. 由于char类型的一次是开辟一个字节，也就是8个bit位，所以它这里的一处大小是8个bit位
2. 由于C语言没有确认位段存储是从右向左还是从左向右，得根据使用者的编译器而定，这里笔者使用的是VS2022，存储方式是从右向左，等等可以从内存中判断
3. a开辟的位段是3个bit位，所以这里红色的部分只有3个bit位，所以也只能把二进制中的最低3位给带入
4. b位段的空间是4个bit位，当前字节仍有5个bit位，所以直接连续地放在a的旁边
5. 笔者的VS2022在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，是舍弃剩余的位的。
6. 接下来c位段空间是5个bit位，当前字节剩余空间大小不够，所以另开一个bit位存放c
7. d位段空间是4个bit位，上一个字节的空间只有3个bit位，不够，所以在开辟一个用来存放d

这样一来就得到下面这一条内存

又因为存储时，是以16进制存储，所以，上述内存只每4个bit位要转换成16进制来存储，也就导致了下图这种存储情况，我们也可以调试出编译器中的内存储存情况

编译器中内存的显示情况也印证了笔者的VS2022位段存储是从右向左的

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6.3 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。

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6.4 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。

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6.5 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。

例如下面这样

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;
}

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7、小结

结构体变量的创建是比较简单的，但是他是在写代码过程中适逢重要的一环不容忽视。而内存对齐和位段的使用都是两种极端的存储方式，前者是牺牲空间博得时间，后者是牺牲时间博得空间，两者都有使用的情况，需要加以辨别和理解。