【C语言】自定义类型：结构体

正文开始——

1. 结构体类型的声明

结构体是一种类型，类似于 int、char、double 等，只不过结构体类型是一种自定义类型。

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。

1.1. 结构的一般声明

1   struct tag
2   {
3       member-list；（成员列表）
4   }variable-list；（变量列表）


5    struct student
6   {
7        char name[20];
8        int  age;
9        char sex;
10  }; //此处分号很重要

1.2. 结构的特殊声明

1   //匿名结构体类型
2   struct 
3   {
4        member-list；
5   }x；
6  
7
8  struct 
9   {
10       member-list；
11  }*p；

上面的结构体没有类型名，故称为匿名结构体类型，其中成员变量相同。分别创建了x，*p这两个结构体变量，思考下面的代码是否合理？

1   p = &x；

答案是：不合理。编译器会认为上面的匿名结构体是两种不同的类型。

同时还要注意：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。

2. 结构体变量的创建和初始化

3. 结构体的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢？

比如，定义一个链表的节点，在这个节点处能够找到下一个节点的位置及其数据。

1   struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node next;
5  };

答案是：no。如果可以的话 ，sizeof（struct Node）的大小是多少？如果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，不合理。

1   struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node* next;
5  };

【注意】

在结构体自引用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，这里需要注意。

1   typedef struct 
2  {
3	int data;
4	Node* next;
5  }Node;

这里对结构体进行了重命名（Node），但是在匿名结构体内部提前使用 Node 类型来提前创建成员变量，这不可以。所以定义结构体不要使用匿名结构体。

1   typedef struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node* next;
5  }Node;

4. 结构体内存对齐

结构体的大小是多少呢？

在计算其大小之前，我们要了解什么是结构体内存对齐。

4.1. 对其规则（面试考点）

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默认的对齐数为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。

练习：

4.2. 为什么存在内存对齐？

4.2.1. 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去取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

4.2.2. 性能原因

数据结构（尤其是栈）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问；而对齐的内存只需要一次访问。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。

我们在设计结构体时，既要满足对齐，又要节省空间，我们可以让占用空间小的成员尽量集中在一起

4.3. 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。

结构体在对齐方式不合适时，我们可以自己更改默认对齐数。

5. 结构体传参

1   struct S
2  {
3      int data[1000];
4      int num;
5  }
6
7    struct S s={{1,2,3,4},1000};
8   
9   //结构体传参
10   void print1(struct S s)
11  {
12     printf("%d\n",s.num);
13  }
14  //结构体传址调用
16   void print1(struct S *ps)
17  {
18     printf("%d\n",ps->num);
19  }
20
21   int main()
22  {
23      print1(s);
24      print2(&s);
25      retrun 0;
26  }

上面的 print1 和 print2 这两个函数哪个好呢？

首选 print2函数。

1. 函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间的空间的系统开销。
2. 如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

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。

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。

比如：

1   struct A
2   {
3       int _a:2;
4       int _b:5;
5       int _c:10;
6       int _d:30;
7    }

A就是一个位段类型。

那位段所占内存的大小是多少呢？

6.2. 位段的内存分配

位段的成员可以是 int、signed int、unsigned int 或者 char 等类型。

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。

冒号后面的数指的是二进制的比特位，例如，a后面的3，指的是把3转换二进制后只能存储3个比特位。

1  struct S
2  {
3      char a:3;
4      char b:4;
5      char c:5;
6      char d:4;
7  }
8   struct S s={0};
9   s.a=10;
10  s.b=12;
11  s.c=3;
12  s.d=4;

6.3. 位段的跨平台问题

1. int 位段被当做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位机器会出现问题）
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，但是有跨平台问题的存在。

6.4. 位段的应用

在网络协议中，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。

6.5. 位段使用的注意事项

位段中几个成员共用一个字节，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，但是可以先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

1   struct A
2  {
3     int _a:3;
4     int _b:5;
5     int _c:3;
6     int _d:9;
7  }
8
9   int main()
10 {
11    struct A sa = {0};
12    scanf("%d",&sa._b);   //错误示范
13    
14    //正确做法
15    int b = 0;
16    scanf("%d",&b);
17    sa._b = b;
18     return 0;
19  }

完——