【C语言基础】：自定义类型（一）--＞ 结构体

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一、内置类型与自定义类型

在C语言中，有内置类型（也称为基本数据类型）和自定义类型（结构体）两种类型。

1.1 内置类型（基本数据类型）
  1. 整型（Integer types）：用于表示整数值，包括：
  • int：通常表示整数，取决于编译器和系统架构，一般为4字节。
  • short int：短整数，通常为2字节。
  • long int：长整数，通常为4字节或8字节。
  • long long int：长长整数，通常为8字节。
  1. 字符型（Character type）：
  • char：用于表示单个字符或小整数值，通常为1字节。
  1. 浮点型（Floating-point types）：用于表示实数，包括：
  • float：单精度浮点数，通常为4字节。
  • double：双精度浮点数，通常为8字节。
  • long double：扩展精度浮点数，大小不定，通常大于8字节。
  1. 空类型（Void type）：
  • void：表示无类型，常用于函数返回类型或指针类型。

这些内置类型是C语言提供的基本数据类型，用于表示基本数据，如整数、浮点数、字符等。

1.2 自定义类型

在C语言中，除了内置的基本数据类型外，还可以通过结构体（Structures）和枚举类型（Enums）来定义自定义类型。

  1. 结构体（Structures）

结构体是一种用户自定义的数据类型，用于组合不同类型的数据成员。它允许将多个不同类型的变量组合在一起，形成一个新的数据类型，以便更方便地操作相关数据。

  1. 枚举类型（Enums）

枚举类型是一种用户自定义的数据类型，用于定义一组相关的命名常量。它允许将一组有限的取值集合在一起，形成一个新的数据类型，以便更清晰地表示程序中的意图。

二、结构体

2.1 结构体的声明

在C语言中，定义结构体使用 struct 关键字，结构体的形式如下：

struct 结构体名 {
    数据类型 成员名1;
    数据类型 成员名2;
    // 更多成员...
};

【示例】：描述⼀个学⽣

struct Stu
{
	char name[20]; // 姓名
	int age;  // 年龄
	char set[5];  // 性别
	int id;  // 学号
};  // 分号不能丢
2.2 结构体变量的创建和初始化

初始化结构体变量：有几种方法可以初始化结构体变量：

  1. 按照结构体成员的顺序初始化：
#include<stdio.h>

int main()
{
	struct Stu s = { "张三", 19, "男", "202201170248" };
	printf("%s\n", s.name);
	printf("%d\n", s.age);
	printf("%s\n", s.set);
	printf("%s\n", s.id);
	return 0;
}

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2. 按照指定的顺序初始化
前面在说操作符时我们讲过，可以通过点操作符来访问结构体成员，这里同样可以通过点操作符来给结构体成员进行初始化。

int main()
{
	struct Stu s = { .age = 19, .id = "202201170248", .name = "张三", .set = "男" };
	printf("%s\n", s.name);
	printf("%d\n", s.age);
	printf("%s\n", s.set);
	printf("%s\n", s.id);
	return 0;
}

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2.3 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;

注意：

  1. 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. p = &x; 这种写法是不合法的，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。
2.4 结构体的自引用

结构体中的成员不仅可以是内置的数据类型，还可以是这个结构体本身，也就是结构体中包含指向相同类型结构体的指针或引用的情况。这种自引用的数据结构通常称为递归数据结构。

比如说定义一个链表的结点：

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

注意：这种自引用是错误的，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。即无法确定 sizeof(struct Node) 的大小。

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，也容易出现引入问题。

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

这种也是错误的，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;

三、结构体内存对齐

【示例】：计算结构体的大小。

struct S
{
	char c1;  // 占1个字节
	int i;  // 占4个字节
	char c2;  // 占1个字节

};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s));
	return 0;
}

在代码中我们看到结构体中有两个char和一个int，那他的大小就是6个字节，但结果真的是这样吗？
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运行之后发现是12个字节，这是为什么呢？
这说明结构体中的成员不是随便放的，这里面是有一定规则的，这就是结构体的内存对齐。

3.1 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 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  1. 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。
  2. 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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解析：对照规则1，第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0，也就是图中为0的位置（char占1个字节），其余的成员变量对齐到对齐数整数倍的位置（int占4个字节，VS的默认值为8，4小于8，即这里的对齐数为4），也就是4的整数倍（图中序号4）开始存，第三个成员变量也一样（char占1个字节小于8，即对齐数是1）。最后结构体总大小是最大对期数（第一个和第三个对齐数都是1，第二个对齐数是4）的整数倍，也就是4的倍数，由于已经占了9个字节，所以下一个4的倍数就是12，这里总共浪费了6个字节的空间大小。

【练习1】

struct S1
{
	char c1;  // 占1个字节
	char c2;  // 占1个字节
	int i;  // 占4个字节
};

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【练习2】

struct S2
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

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【练习3】
结构体中嵌套结构体

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

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解析：这里就要对应规则4，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，S3中最大的对齐数是8，即要对齐到8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，也是8的倍数。
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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。

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
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

S1 和 S2 类型的成员一模一样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了一些区别（S1占12个字节，S2占8个字节）。

3.3 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。
【示例】：

#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

int main()
{
	struct S1 s1;
	printf("%zd\n", sizeof(s1));
	return 0;
}

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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。

四、结构体传参

【示例1】：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int arr[1000];
	int num;
	double d;
};
void print1(struct S s)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", s.arr[i]);
	}
	printf("\n");
	printf("%d\n", s.num);
	printf("%lf\n", s.d);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5}, 100,3.14 };
	print1(s);
	return 0;
}

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【示例2】：

struct S
{
	int arr[1000];
	int num;
	double d;
};
void print2(const struct S* ps)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("\n");
	printf("%d\n", ps->num);
	printf("%lf\n", ps->d);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5}, 100,3.14 };
	print2(&s);
	return 0;
}

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示例1和示例2中首选示例2，因为示例传参时是将结构体在拷贝一份给形参，本身这个结构体所占的空间就比较大，在拷贝一份太占用空间，不太合适，而示例2传的是一个指针，可以通过这个指针直接访问这个结构体，不需要额外创建多余空间，当然，为了结构体内容不被修改，可以加一个const进行修饰。
原因：

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。

五、结构体实现位段

5.1 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。

【示例】：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

A就是一个位段类型。

5.2 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。

【示例】：

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;
}

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5.4 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。

5.5 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。

【示例】：

struct S
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	// scanf("%d", &s._b);  // 这是错误的

	// 正确的示范
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	s._b = b;
	return 0;
}
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