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一、什么叫做结构体
C语⾔已经提供了内置类型,如:char、short、int、long、float、double等,但是只有这些内置类型还是不够的,假设我想描述学⽣,描述⼀本书,这时单⼀的内置类型是不⾏的。描述⼀个学⽣需要 名字、年龄、学号、⾝⾼、体重等;描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题,增加了结构体这种自定义的数据类型,让程序员可以自己创造适合的类型。
数组是一组相同类型元素的集合,而结构体同样也是一些值的集合,不同的是,在结构体中,这些值被称为成员变量,而结构体的每个成员变量可以是不同类型的变量:如: 标量、数组、指针,甚⾄是其他结构体。
二、结构体类型的声明
2.1 结构体的声明形式
struct tag
{
member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表
struct:结构体的关键字。
tag:为结构体的命名(结构体标签),一般来说会根据实际意义来取。
member-list:成员变量列表,每个成员变量可以是不同类型的变量。
variable-list:结构体类型创建的变量列表(也可以不创建)
例如描述一个学生:
#define CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s1,s2,s3;//s1、s2、s3为结构体类型创建出来的变量//要注意分号不可以省略
2.2 结构体成员访问操作符
2.2.1 结构体成员的直接访问
结构体成员的直接访问是通过点操作符(.)访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示。
#include <stdio.h>
struct Point
{
int x;
int y;
}p = { 1,2 };
int main()
{
printf("x:%d y: %d\n",p.x,p.y);
return 0;
}
使用方式:结构体变量.成员名
2.2.2 结构体成员的间接访问
有时候我们得到的不是⼀个结构体变量,⽽是得到了⼀个指向结构体的指针。如下所⽰
#include<stdio.h>
{
struct Point
int x;
int y;
}
int main()
{
struct Point p={3,4 };
struct Point* ptr = &p;
ptr->x = 10;
ptr->y = 20;
printf("x = %d y = &d\n", ptr->x,ptr->y);
return 0;
}
使用方式:结构体指针->成员名
2.3 结构体变量的创建和初始化
一般来说,结构体初始化一般是按照结构体成员的顺序进行的。
#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”printf("name:%sn",s.name);"20230818001"};
printf("age : %d\n",s.age);
printf("sex :%s\n",s.sex);
printf("id : %s\n",s.id);
}
但是,我们也可以通过结构体访问操作符,实现指定顺序初始化!
#include<stdio.h>
{
struct Stu
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
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;
}
2.4 匿名结构体
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;
上面两个结构体在声明的时候省略了结构体。
我们可以发现,上面两个结构体的成员变量是一致的,但是如果在上面的代码基础上,使用p=&x,会发生警告!!
原因:
1.因为是匿名结构体,编译器会把上面两个声明当成是两个完全不同的结构体类型!
2.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。
对匿名结构体重命名,操作如下
//匿名结构体类型
typedef struct
{
int a;
char b;
float c;
}S;
此时的S为该匿名结构体的标签,可以利用他来创建该结构体类型变量。
2.5 结构的自引用
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;
}
仔细分析,这其实是不行的,因为结构体中在包含一个同类型的结构体,这样结构体就会无穷的大,是不合理的!
正确的自引用方式应该是包含下一个结构体的指针类型!
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,如下面的代码:
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
Node是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的,但是在匿名结构体的内部提前使用了Node类型来创建成员变量,这是不行的!!
所以如果需要对结构体进行自引用,就不要使用匿名结构体!!!!
三、结构体的内存对齐
我们要深入讨论一个问题:如何计算结构体的大小。
我们来观察下面的代码:
struct Sl
{
char cl;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char cl;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct s1));
printf("%d\n",!sizeof(struct S2));
}
12
8
我们发现两个结构体的成员变量都是一样的,只不过是顺序不同,但是结构体大小却不一样,这是为什么呢??下面就来探究结构体的内存对齐。
3.1 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. 其他成员变量要对⻬到某个数字(对齐数)的整数倍的地址处。 对齐数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与 该成员变量大小的较小值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中 gcc 没有默认对⻬数,对⻬数就是成员自身的大小
3. 结构体总大小为最⼤对⻬数(结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数,所有对⻬数中最⼤的)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⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处,结构 体的整体大小就是所有最⼤对⻬数(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。
通过以上对齐规则,我们来解析刚刚的代码:
s1:c1在偏移量为0的地方
c2的对齐数是1,放在1的倍数处即可,所以可以放在1的位置
i的对齐数是4,要放在4的倍数处,所以从4开始放,一直放到7
全都放完后占用了8个字节,恰好是s1最大对齐数4的倍数,所以s1占8个字节。
s2:c1在偏移量为0的地方
i的对齐数是4,要放在4的倍数处,所以从4开始放,一直放到7
c2的对齐数是1,放在1的倍数处即可,所以可以放在8的位置
全部放完占用了9个字节,但9并不是最大对其数4的倍数,所以得变成12,所以s2占12个字节
如果是嵌套结构体呢???
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
struct S4
{
char cl;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct s3));
printf("%d\n",sizeof(struct S4));
return 0;
}
16
32
3.2 offsetof宏函数![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/6a3099bf5a08432aae01de229970f9d3.png)
offsetof是一个宏函数,作用是计算结构体成员相较于起始位置的偏移量
他的头文件是stddef.h 第一个参数是结构体类型,第二个参数是结构体成员。
下面我们通过offsetof来验证之前的S4
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct S3));
printf("%d\n",sizeof(struct s4));
printf("%d\n",offsetof(struct s4,c1));
printf("%d\n",offsetof(struct s4,s3));
printf("%d\n",,offsetof(struct S4,d));
return 0;
}
16
32
0
8
24
3.3 为什么需要内存对齐?
我们发现,无论怎么分配内存空间,都会存在空间的浪费,那么为什么需要内存对齐这样的规则呢?
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。举个例子,比方说在某些平台上,整型数据的提取只能在4的倍数处的地址。
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。(读地址一般是在对齐边界上读取)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:结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
所以我们如果想要既满足对齐,又节省空间,可以让占用空间小的成员尽量集中在一起!比如刚刚提到的s1和s2就是很好的例子!
struct Sl
{
char cl;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char cl;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct s1));
printf("%d\n",!sizeof(struct S2));
}
12
8
3.4 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⻬数。
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
struct s
{
int data[1000];
int num;
};
struct S s={{1,2,3,4},1000 };
//结构体传参
void print1(structS 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;
}
1000
1000
上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些?
答案是:⾸选print2函数。
原因:
1、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。
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。如果我们不希望传结构体地址时改变结构体的内容,可以加上const修饰!
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。
比如:
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
}
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct A));
}
我们发现,如果是结构体,应该是16个字节的大小,但是使用位段后只有8个字节的大小,原因就在于:后面的数字,_a:2的意思就是只用2个bit位表示a,_b:5的意思就是只用5个bit位表示b……
位段的出现就是为了节省空间(比如说a可能只有0 1 2 3的可能性,那么他最多只需要2个bit位就可以表示,所以_a:2可以最大限度地利用空间)
既然位段可以节省空间,那2+5+10+30=47,其实结构体A只需要47bit位的空间,按道理来说最多需要6个字节即可,那为什么得到的结果是8呢?
其实位段并不是无限制地节省空间,他也有自己地内存分配规则,下面将进行介绍!
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。
在vs2022环境下,位段内存是如何分配的呢?
下面举个例子:
struct s
{
char a ;
char b ;
char c ;
char d ;
};
int main()
{
struct S s={ 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
S.c = 3;
s.d = 4;
}
首先,我们提出以下假设:
1.每个字节的使用顺序是从右往左
2.剩余空间不足就浪费
验证:
a=10 二进制表示是1010,因为只有3位,所以只取010
b=10 二进制是1100,正好4位
c=3 二进制是11,补成5位是00011
d=4是100,补成4位是0100
假设我们申请了第一个字节的空间0000 0000,先把a的010从右往左放进去,变成了0000 0010,再把b的1100放进去变成了0110 0010 剩下1位不够放c了,再申请第二个字节空间0000 0000,把c的00011放进去变成了 0000 0011,只剩下4位,此时不够放d了,再申请一个字节空间0000 0000将d的0100放进去变成0000 0100,所以一共使用了3个字节的空间,这3个字节空间分别是 0110 0010 0000 0011 0000 0100 翻译成16进制就是 62 03 04 我们可以通过内存来观察是否正确
int main()
{
struct Ss={0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c= 3;
s.d = 4;
printf("%dn",sizeof(struct S));
}
3
符合我们预期,并且占用空间也如我们分析的3个字节,所以假设成立。
结论:在vs2022环境下,每个字节的使用顺序是从右往左,剩余空间不足就浪费。
5.3 位段的跨平台问题
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。
原因:
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。
结论:
跟结构体相比,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。
5.4 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。
发送在前
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
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;
}