【c语言】自定义类型：结构体

一、结构体类型的声明、创建和初始化

结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员都可以是不同类型的变量.
比如描述一个学生：

struct Stu
{int age;//年龄char name[20];//名字char sex[5];//性别char id[20];//学号};

结构体的自引用

比如：定义一个链表节点

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

这种情况下，计算sizeof(struct Node)，结果会导致无穷大，正确的引用方式是用指针的形式：

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

此外，夹杂了typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引⼊问题

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

其中，Node是对前面匿名结构体类型进行重命名产生的，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。正确的做法是不要用匿名结构体

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

二、结构体的内存对齐

2.1. 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. 其他成员变量要对其到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处；

对齐数 = 编辑器默认的一个对齐数与该结构体成员变量大小的较小值
VS中默认为8

3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍
4. 对于嵌套结构体的情况，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，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

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

struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

嵌套结构体情况：

struct 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;
}

2.2. 为什么存在内存对齐

1. 平台原因:不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的，某些硬件平台只能读取特定地址上的特定类型的数据，否则会硬件异常；
2. 性能原因：数据结构(特别是栈)应该尽可能在自然边界上对齐。对于访问未对齐的内存，处理器可能要进行多次访问，而对齐的内存只需要进行一次访问。比如一个处理器一次只能从内存中访问8个字节，则对齐的地址必须是8的倍数。
   

如图，如果double类型变量从偏移量4处对齐，那么处理器读取数据时就要读取两次，如果从偏移量为0处对齐，只需要读取一次

总结来说，结构体内存对齐是用空间来换取时间效率的做法.
因此，在设计结构体的时候，应尽量让空间小的成员集中在一起，这样可以节省内存空间

2.3. 修改默认对齐数

#pragma 预处理指令可以修改编译器的默认对齐数

#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));return 0;
}

默认对齐数为1，因此结构体大小为6字节

2.4. 结构体传参

结构体传参时，应传递结构体的地址

函数传参的时候，要进行压栈操作，会有时间和空间上的开销；
如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销会比较大，会导致性能的下降

三、结构体实现位段

位段的成员名后面要有冒号和一个数字

3.1. 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。
   比如：

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;

1. a用二进制表示为0000 1010
   b用二进制表示为0000 1100
   c用二进制表示为0000 0011
   d用二进制表示为0000 0010
2. 其中a占3比特位，b占4比特位，c占5比特位，d占4比特位
3. a和b共占一个字节，c占一个字节，d占一个字节，从右向左开辟内存空间，不够之后再从右侧向左开辟，不够的位置用0补齐

因此读取出的前三个字节的数据为62 03 04

3.2. 位段的注意事项

位段的几个成员共用一个字节，这样有些成员的地址并不是某个字节的起始地址，这些位置处是没有地址的。内存中内个字节分配一个地址，一个字节内部的比特位是没有地址的，因此不能对位段成员进行取地址操作，也就不能用scanf对位段成员输入值，只能先放在变量中，再复制给位段成员。

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，不能对位段成员&//正确的⽰范int b = 0;scanf("%d", &b);//先将要读取的数据放在变量中，再赋给位段成员sa._b = b;return 0;
}