结构体的声明使用及存储方式

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本篇文章对C语言中的结构体进行了深度剖析。对结构体的声明、使用、内存存储方式等等重点内容进行详细介绍。

一、结构体的声明与使用

1、1 结构体的简单声明

首先我们应该知道结构体什么。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。

我们看结构体的声明代码模板。

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

tag是标签的意思也就是我们要声明哪一类的结构体。member-list是成员变量列表是我们声明成员变量的地方。variable-list是对象变量列表相当于声明对象变量。

我们看声明一个学生类的结构体代码如下

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

1、2 结构体的特殊声明

在声明结构的时候可以不完全的声明。比如

//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;

我们可以看到上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag。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;

答案是非法的。我们看到上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag虽然他们的成员变量是一摸一样的但是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。。

1、3 结构体自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？我们看如下代码

//代码1
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//可行否？
如果可以那sizeof(struct Node)是多少？

答案是不可以的。我们发现在计算结构体大小是进入了死循环。正确的方式如下

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

//注意

typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//这样写代码可行否？


//解决方案
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

我们要注意的一点上述中的第二种方式是不对的。真或缺的解决方案我们同样给出。

1、4 结构体变量的定义和初始化

有了结构体就到了对结构体变量的定义和初始化。这个也是比较简单的。我们直接看代码

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1

struct Point p2; //定义结构体变量p2

//初始化定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};

struct Stu //类型声明
{
    char name[15];//名字
    int age; //年龄
};

struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化

struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化

struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化

1、5 结构体传参

我们先来看一段代码

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。

二、结构体在内存中的存储方式

2、1 结构体在内存中的存储方式的引入

前面我们学过了整型和浮点型在内存中的存储方式（带你深度剖析《数据在内存中的存储那么结构体呢？

我们先看两个例子代码如下

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));


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

我们第一次看到两个结构体的大小感觉是一样大的并且都为6个字节。那我们来看一下答案是这样的吗？

答案好像并非如此到底是为什么呢？这就涉及到了结构体在内存中的存储方式了。也就是结构体的内存对齐。我们来详解以下内存对齐。

2、2 结构体的内存对齐

那么到底什么是内存对齐呢？内存对齐如何计算？首先得掌握结构体的对齐规则

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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大小的较小值。VS中默认的值为8。
结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数的整数倍。
如果嵌套了结构体的情况嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数的整数倍。

通过对结构体的对齐规则了解后娜美我们就知道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。所以大小是不同的。

为什么存在内存对齐?大部分的参考资料都是如是说的

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。
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。

2、3 修改默认对齐数

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令这里我们再次使用可以改变我们的默认对齐数。代码如下

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数还原为默认

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数还原为默认

int main()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
}

我们再看一下修改默认对齐数后的的结果。

还是有所不同的。当我们把默认对齐数修改为1后相当与可以直接连续放在内存中。所以结构也就是哦我们最开始想的6了。

结构在对齐方式不合适的时候我么可以自己更改默认对齐数。

三、结构体的位段

3、1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的有两个不同

位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
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;
};

A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少呢？

结果好像再次出乎意料耶。这就与位段的内存分配有关了接下来我们看一下位段的内存分配。

3、2 位段的内存分配

位段的内存分配如下

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1632位机器最大32写成27在16位机器会出问题。
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。
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。

在使用位段时我们也要注意以下几点

位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （属于整形家族类型
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。
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。