結構體

目錄

一、結構體類型的聲明

結構的聲明

特殊的聲明

二、結構的自引用

結構體正確的自引用方式

三、結構體變量的定義和初始化

四、結構體內存對齊

結構體的對齊規(guī)則

為什么存在內存對齊?

修改默認對齊數(shù)

百度筆試題

五、結構體傳參

六、結構體實現(xiàn)位段（位段的填充&可移植性）

什么是位段？

位段的內存分配

位段的跨平臺問題

位段的應用

一、結構體類型的聲明

首先我們來了解一下結構的基礎知識：

結構是一些值的集合，這些值稱為成員變量。結構的每個成員可以不同類型的變量。

如數(shù)組是一組相同類型的元素的集合，而結構體也是一些值的集合，結構體的每個成員可以是不同類型的。

結構的聲明

struct tag{    member-list;}variable-list;//結構體關鍵字：struct//結構體的標簽：tag//結構體的類型：struct tag//結構的成員列表：member_list//結構體變量列表：variable_list

例：

#include //聲明一個結構體類型//聲明一個學生類型，是想通過學生類型來創(chuàng)建學生變量(對象)//描述學生：屬性 - 名字+性別+年齡+電話號碼struct Stu{    char name[20]; //名字    char sex[10];  //性別    int age;       //年齡    char phone[12];//電話}; //記住這里要加分號struct Stu s3;//全局變量int main(){    //創(chuàng)建的結構體變量    struct Stu s1;    struct Stu s2;    return 0;}

特殊的聲明

在聲明結構的時候，可以不完全的聲明。

例：

//匿名結構體類型struct{    int a;    char c;}sa;struct{    int a;    char c;}* psa;//匿名結構體指針類型

?思考：在上面代碼的基礎上，下面的代碼合法嗎？

int main(){    psa = &sa;    return 0;}

執(zhí)行結果：

?警告：編譯器會把上面的兩個聲明當成完全不同的兩個類型，所以是非法的。

結論：當兩個匿名結構體類型內部的內容一樣時，仍然是兩個不同結構體類型?

二、結構的自引用

思考1：在結構中包含一個類型為該結構本身的成員是否可以呢？

//代碼1struct Node{    int data;    struct Node next;};

思考2：可行嗎？如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

解答：不行。

假設代碼1中的方式可以執(zhí)行，那么在創(chuàng)建結構體的過程中，struct Node next由于結構體struct Node類型還沒創(chuàng)建完成，所以其類型的大小是未知的，而struct Node類型的是否能成功創(chuàng)建又依賴于struct Node next類型大小的確定性。

所以這兩者自相矛盾。因此上述方法不行！

結構體正確的自引用方式

//代碼2struct Node{    int data;//4 數(shù)據(jù)域    struct Node* next;//4/8 指針域};

思考3：這串代碼為什么可以成功呢？

解答：首先此處結構體自應用方式并不是直接利用結構體來創(chuàng)建變量，而是創(chuàng)建指向該結構體類型的指針。

我們知道，指針的大小跟其所指向的類型無關，僅跟平臺環(huán)境有關，32位平臺指針大小為4個字節(jié)，64位平臺，指針大小為8個字節(jié)。

正因為指針大小的確定性，所以再自引用的時候結構體類型的整體大小也是可以確定的。

思考4：這樣寫代碼可行嗎？

//代碼3typedef struct{    int data;    Node *next;}Node;

解答：不行

由于此時struct后面省略掉了Node，所以匿名重新命名結構體為Node，那么此時編譯器就會不認識Node。（就好比先有雞還是先有蛋）

因為結構體類型有重命名才能產生Node，而此時還未定義Node就在結構體內部使用了Node，所以會產生錯誤。

解決方案：

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

三、結構體變量的定義和初始化

有了結構體類型，那要怎么樣來定義結構體變量和初始化變量呢？

例1：

struct Point{    int x;    int y;}p1;                //聲明類型的同時定義變量p1struct Point p2;    //定義結構體變量p2//初始化：定義變量的同時賦初值。struct Point p3 = {x, y};

例2：

struct S //類型聲明{    char name;//姓名    int age;//年齡    double d;//身高    char sex;//性別};int main(){    struct S s = {"c", 20, 182.5, "boy"};//初始化    return 0;}

?例3：

#include struct T{    double weight;//體重    double height;//身高}p;struct S //類型聲明{    char name;//姓名    struct T p;    short age;//年齡    char sex[5];//性別};int main(){    struct S s = {"A", {63.5, 182.5}, 20, "boy"};//結構體嵌套初始化    printf("%c %lf %lf %d %s/n", s.name, s.p.weight, s.p.height, s.age, s.sex);    return 0;}

四、結構體內存對齊

關于結構體的基本使用到這里我們就差不多掌握了。

現(xiàn)在我們深入討論一個問題：我們都知道任何的數(shù)據(jù)類型都應有其對應的內存空間大小。如?char大小為1個字節(jié)，int 為4個字節(jié)，double 為8個字節(jié)等，如果無法確定大小，就無法在創(chuàng)建的時候知道該分配給該類型變量的內存空間是多少。

那么，結構體的大小是多少？又該如計算結構體的大小呢？?

讓我們來研究一下熱門考點：結構體內存對齊

結構體的對齊規(guī)則

1. 第一個成員在與結構體變量偏移量為0的地址處。

2. 其他成員變量要對齊到某個數(shù)字（對齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。

對齊數(shù) = 編譯器默認的一個對齊數(shù)與該成員大小的較小值。?

• VS中默認的值為8
• Linux中的默認值為4

3. 結構體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

4. 如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體對齊到自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結構體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍。（注：不是整體，是自身最大對齊數(shù)）

練習1：

#include	struct s1{	char c1;	int i;	char c2;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct s1));	return 0;}

執(zhí)行結果：

分析：

練習2：

#includestruct s2{	char c1;	char c2;	int i;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct s2));	return 0;}

執(zhí)行結果：

分析：

?練習3：

#includestruct s3{	double d;	char c;	int i;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct s3));	return 0;}

執(zhí)行結果：

分析：

?練習4：

#includestruct s3{	double d;	char c;	int i;};struct s4{	char c1;	struct s3 s3;	double d;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct s4));	return 0;}

?執(zhí)行結果：

分析：

為什么存在內存對齊?

1. 平臺原因(移植原因)： 不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址 處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

2. 性能原因： 數(shù)據(jù)結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。 原因在于，為了訪問未對齊的內存，處理器 需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。

?總體來說： 結構體的內存對齊是拿空間來換取時間的做法。

當我們在設計結構體的時候，既要滿足對齊，又要節(jié)省空間時：

我們需要讓占用空間小的成員盡量集中在一起。

例：

	struct s1{	char c1;	int i;	char c2;};struct s2{	char c1;	char c2;	int i;};

此時s1和s2類型的成員一模一樣，但是s1和s2所占用的空間大小是有區(qū)別的，前者大小為12個字節(jié)，后者為8個字節(jié)，顯然后者這種方式空間利用的效率更高。

修改默認對齊數(shù)

之前我們見過了 #pragma 這個預處理指令，這里我們再次使用，可以改變我們的默認對齊數(shù)。

#include #pragma pack(8)//設置默認對齊數(shù)為8struct s1{	char c1;	int i;	char c2;};#pragma pack()//取消設置的默認對齊數(shù)，還原為默認#pragma pack(1)//設置默認對齊數(shù)為1struct s2{	char c1;	int i;	char c2;};#pragma pack()//取消設置的默認對齊數(shù)，還原為默認int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct s1));	printf("%d/n", sizeof(struct s2));	return 0;}

執(zhí)行結果：

分析：

由于s1的值我們之前已經知道了大小為12，那么我們來分析一下s2的值為什么是6？

?結論：結構在對齊方式不合適的時候，我么可以自己更改默認對齊數(shù)。

百度筆試題

寫一個宏，計算結構體中某變量相對于首地址的偏移，并給出說明

我們這邊首先要用到宏，即 offsetof

#include#includestruct s2{	char c1;	int i;	char c2;};int main(){	printf("%d/n", offsetof(struct s2, c1));	printf("%d/n", offsetof(struct s2, i));	printf("%d/n", offsetof(struct s2, c2));	return 0;}

執(zhí)行結果：

五、結構體傳參

直接舉例：

#include struct S{	int a;	char c;    double d;};struct S s = { {1, 2, 3, 4}, 1000 };void Init(struct S tmp){	tmp.a = 100;    tmp.c = "w";    tmp.d = 3.14;}//結構體傳參void Print1(struct S tmp){	printf("%d %c %lf/n", tmp.a, tmp.c, tmp.d);}//結構體地址傳參void Print2(struct S* ps){	printf("%d %c %lf/n", ps->a, ps->c, ps->d);}int main(){    struct S s = {0};    Init(s);    Print1(s);//傳結構體	print2(&s);//傳結構體地址	return 0;}

結構體傳參有兩種方式：

1. 傳遞結構體對象（傳值），對應的就是print1函數(shù)的方式
2. 傳遞結構體地址（傳址），對應的就是print2函數(shù)的方式

思考：上面的print1和print2函數(shù)哪個好些 ?

答案：首選print2函數(shù)。

原因：

函數(shù)傳參的時候，參數(shù)是需要壓棧，會有時間和空間上的系統(tǒng)開銷。
如果傳遞一個結構體對象的時候，結構體過大，參數(shù)壓棧的的系統(tǒng)開銷比較大，所以會導致性能的下降。

結論 : 結構體傳參的時候，要傳結構體的地址。

六、結構體實現(xiàn)位段（位段的填充&可移植性）

結構體講完就得講講結構體實現(xiàn) 位段?的能力。

什么是位段？

位段的聲明和結構是類似的，有兩個不同：

1. 位段的成員必須是 int、unsigned int 或signed int 。
2. 位段的成員名后邊有一個冒號和一個數(shù)字。?

例：?

#includestruct A{	int _a : 2;	int _b : 5;	int _c : 10;	int _d : 30;};int main(){	printf("%d/n", sizeof(struct A));	return 0;}

A就是一個位段類型。 那位段A的大小是多少呢？?

執(zhí)行結果：

位段的內存分配

1.位段的成員可以是int unsigned intsigned int或者是char(屬于整形家族）類型
2.位段的空間上是按照需要以4個字節(jié)([int)或者1個字節(jié)(char)的方式來開辟的。
3.位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺的，注重可移植的程序應該避免使用位段。

而這些不確定因素體現(xiàn)在：
（1）空間是否要被浪費？
（2）空間是從左向右使用還是從右向左使用？
比如說VS2019：先開辟1 / 4個字節(jié)， 從右向左使用時，空間會被浪費

例：

#include		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;}

思考：空間是如何開辟的？

執(zhí)行結果（前）：

?執(zhí)行結果（后）：

分析：

1）先開辟一個char類型大小的空間，也就是占用了1個字節(jié)。

2）將a的3個bit內容從右往左放入該字節(jié)中，此時還剩下5bit大小的空間

3）再將b的4個bit內容放到a的后面，此時還剩下1bit大小的空間

4）1bit空間內部不夠c中5bit的內容存放，于是重新開辟了一個字節(jié)空間，從右往左后此時剩下了3bit大小的空間

5）剩下的空間(3bit)不夠d的4bit內容存放，于是又重新開辟了一個字節(jié)空間，從右往左將d的4bit內容放進去

位段的跨平臺問題

1. int 位段被當成有符號數(shù)還是無符號數(shù)是不確定的。

2. 位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機器最大16，32位機器最大32，寫成27，在16位機器會出問題。

3. 位段中的成員在內存中從左向右分配，還是從右向左分配標準尚未定義。

4. 當一個結構包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納于第一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位 還是利用，這是不確定的。

總結：?跟結構相比，位段可以達到同樣的效果，但是可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺的問題存在。

位段的應用

網絡傳輸協(xié)議包（計算機網絡）