c语言----自定义类型---结构体（声明、重命名、对齐规则、传参、位段...详解）

一、结构体类型的声明

这个结构体的声明以及变量的定义及初始化和结构体成员的直接或者间接访问我在前面的文章有讲过，点击链接了解（在 八、结构体访问操作符中有讲）：
链接: link

二、结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。
下面是不完成声明：

struct  //匿名结构体
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	int id;//学号
}S = {"权权",20,"男",10056};
int main()
{
	printf("%d %d %s %s\n", S.age, S.id, S.name,S.sex);
	return 0;
}

那么问题来了，看下面一段代码合法吗？

struct  //匿名结构体1
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	int id;//学号
}S = {"权权",20,"男",10056};
struct  //匿名结构体2
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	int id;//学号
}*p;
int main()
{
	//printf("%d %d %s %s\n", S.age, S.id, S.name,S.sex);
	p = &S;
	return 0;
}

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
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。

三、结构体的重命名

typedef struct node
{
  char name[20];//姓名
  int age;//年龄
  char sex[5];//性别
  int id;//学号
}node;//重命名方法一：把struct node 重命名为node
 struct node
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	int id;//学号
};
 typedef struct node node;//重命名方法二：把struct node 重命名为node

四、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：

//结构体的自引用
typedef struct node
{
	char i;
	struct node* next;
}node;

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
{
	char i;
    node* next;
}node;

答案肯定是不行滴：
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
{
 char i;
 struct Node* next;
}node;

五、结构体的内存对齐

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。

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。

5.1.1练习

看几个代码学会结构体的大小是如何计算的：
练习一：

struct S1
{
	char c1;
	
	int i;
	char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12

再来一个

//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8

在看一个要使用第4个对齐规则的

struct S3
{
	double a;
	char b;
	int c;
};
struct S4
{
	char e;
	struct S3 s3;
	double f;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));//结构体嵌套问题

上面计算结构体大小的计算。

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，为了访问未对⻬的内存，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，如何做到：
   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;
};

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。

5.3 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。

#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));//6
 return 0;
}

六、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;
}

上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
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。

七、结构体实现位段

7.1什么是位段

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：

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

A就是⼀个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少？

printf("%d ",sizeof(struct A));//8

7.2 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。

//⼀个例⼦
struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
printf("%d \n",sizeof(struct s));//3
//空间是如何开辟的？

7.3 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。

7.4 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。

7.5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。

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;
}

欧耶！！！！我学会啦！！！！！