C系列-自定义类型：结构体

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结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里我们稍微复习一下。

结构体回顾

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量，结构的每个成员可以是不同类型的变量

结构的声明

struct stg
{
	member - list;
}variable-list;

假如描述一个学生

struct stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[50];//学号
};

结构体变量的创建和初始化

#include<stdio.h>
struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[20];
	char id[20];
};
int main()
{
	/*
	* 第一种
	struct stu s = { "张三",20,"男","2023631002" };
	printf("%d", s.age);
	printf("%s", s.name);
	printf("%s", s.sex);
	printf("%s", s.id);
	*/

	//第二种
	struct stu s2 = { .age = 20,.id = "2023631002",.name = "lisi",.sex = "男" };
	printf("%d", s2.age);
	printf("%s", s2.name);
	printf("%s", s2.sex);
	printf("%s", s2.id);
	return 0;
}

结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明

比如：

#include<stdio.h>
struct
{
	int a;
	int b;
}x;

struct
{
	char a[20];
	int b;
	float c;

}a[20],*p;

 上面的结构在声明的时候省略掉了结构体标签，那么问题来了

在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？

p=&x；

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。

结构的自引用

在结构中包含了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 a;
	struct Node next;
};

上述代码正确吗？如果正确，那sieof(struct Node)结果是多少

仔细分析，其实是不行的，因为一个结构体中在包含一个同类型的结构体变量，这样的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：

struct Node
{
	int a;
	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，看着下面的代码，可行吗？

typedef struct
{
	int a;
	struct Node* p;
}Node;

答案是不行的，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 a;
	struct Node* next;
}Node;

结构体内对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了

现在我们深入探讨一个问题，计算结构体的大小

这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

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的位置

2.其他成员变量要对齐某个数字（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

#include<stdio.h>
//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct S1));
	printf("%dn", sizeof(struct S2));
	printf("%dn", sizeof(struct S3));
	printf("%dn", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

 为什么存在内存对齐

大部分的参考资料是这样说的

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，处理器必须需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

总体来说，结构体的内存对齐是拿空间换取时间的做法

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到让占用的空间小的成员尽可能集中在一起。

#include<stdio.h>
struct s1
{
	char a;
	char c;
	int b;
};
struct s2
{
	char a;
	int b;
	char c;
};
int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct s1));
	printf("%dn", sizeof(struct s2));
	return 0;
}

s1和s2类型的成员一模一样，但是两者所占的空间大小存在一定的差别。

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)//设置默认对齐数为1
struct s1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

#pragma pack()//将默认对齐数返回默认值

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct s1));


	return 0;
}

 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。

结构体传参

#include<stdio.h>
struct s1
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
};
struct s1 s = { "zhangsan",19,"男" };
void print1(struct s1 s)
{
	printf("%sn", s.name);
}
void print2(struct s1* s)
{
	printf("%sn", s->name);
}
int main()
{
	print1(s);
	print2(&s);
	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，参数是需要压栈的，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，参数压栈的时候系统开销会比较大，所以会造成系统的性能下降。

结论：

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

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中成员还可以是其他的类型。

2.位段的成员名后面有一个冒号和一个数字。

比如：

struct s1
{
	int a : 5;
	int b : 10;
	int c : 10;


};

s1就是一个位段类型

那么位段s1所占内存的大小是多少

 上面的一共是25个bit位，三个字节是24个bit，所以需要有4个字节

位段的内存分配

1. 位段的成员可以是int ，unsigned int ，signed int或者char类型
2. 位段的空间上是按照需要以4个字节或者1个字节的方式开辟的
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

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
int main()
{
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}
//空间是如何开辟的？

位段的跨平台问题

• int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的
• 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大是32）
• 位段的成员在内存中从左向右分配还是从右向左分配是不确定的
• 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：

根结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间。

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，而是先输入到一个变量当中，然后赋值给位段的成员。

#include<stdio.h>
struct s1
{
	int s:30;
};
int a = 0;
int main()
{
	struct s1 s = { 0 };
	//scanf("%d", &s);//这是错误的
	//正确的方法
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	s.s = b;
	return 0;
}

代码007普通

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