【C/C++】自定义类型：结构体

文章目录

  • 前言
  • 自定义类型：结构体
    • 1.结构体类型的声明
      • 1.1 结构体回顾
        • 1.1.1 结构的声明
      • 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
      • 1.2 结构的特殊声明
      • 1.3 结构的自引用
    • 2.结构体内存对齐
      • 2.1 对⻬规则
      • 2.2 为什么存在内存对齐？
      • 2.3 修改默认对⻬数
    • 3. 结构体传参
    • 4.结构体实现位段
      • 4.1 什么是位段
      • 4.2 位段的内存分配
      • 4.3 位段的跨平台问题
      • 4.4 位段的应用
      • 4.5 位段使用的注意事项

前言

集成开发环境为vs2022

c语言有内置类型(char short int long flaot double long double)，也有自定义类型—结构体(struct) 枚举(enum) 联合体(union) 本篇幅介绍结构体

自定义类型：结构体

1.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，这⾥稍微复习⼀下。

1.1 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。

1.1.1 结构的声明
struct tag//标签名
{member-list;//成员 1个或多个
}variable-list;//变量列表

例如描述⼀个学⽣：

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

struct Book b2;//全局变量
int main()
{struct Book b1;//局部变量return 0;
}

1.1.2 结构体变量的创建和初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{char name[20];//名字 int age;//年龄 char sex[5];//性别 char id[20];//学号 
};
int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化 struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化 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;
}

1.2 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：

//匿名结构体类型 
struct//这里不写名字
{int a;char b;float c;
}s;//可以在这初始化
//}s={'x',100.3.14};
int main()
{printf("%c %d %lf",s.c,s.i,s.d);
}

匿名结构体也可以重新命名

typedef struct
{char c;int i;double d;
}s;

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;

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。

1.3 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：

在这之前先讲一下链表

数据结构–其实是数据在内存中的存储和组织的结构 数据有多种

线性数据结构：顺序表，链表，栈，队列

顺序表–数组

在这里插入图片描述

链表

在这里插入图片描述

//定义一个链表节点
struct Node
{int data;struct Node next;
};

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？

仔细分析，其实是不⾏的，因为⼀个结构体中再包含⼀个同类型的结构体变量，这样结构体变量的⼤ ⼩就会⽆穷的⼤，是不合理的。

正确的⾃引⽤⽅式：

struct Node{int data;//数据struct Node* next;//指针
};

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，看看 下⾯的代码，可⾏吗？

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

匿名结构体类型不能实现结构体的自引用

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 data;struct Node* next;
}Node;

//上述代码等价于下边代码
struct Node
{int data;struct Node* next;
}
typedef struct Node Node;

2.结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使⽤了。

现在我们深⼊讨论⼀个问题：计算结构体的⼤⼩。

这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬

2.1 对⻬规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

1.结构体的第1个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

2.从第2个成员变量开始，都要对⻬到某个对⻬数的整数倍的地址处。

对⻬数=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齐数（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

//练习1 
struct S1
{       //   默认   对齐数char c1;// 1 8     1int i;//   4 8     4char c2;// 1 8     1
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2 
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3 
struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题 
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

在这里插入图片描述

2.2 为什么存在内存对齐？

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。

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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要 作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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。

例如

struct S
{char c;//1int i;//4 
};

在这里插入图片描述

那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，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

//例如： 
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};

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。

2.3 修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1  一般是2的次方数 linux中不能改
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？ 6printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

3. 结构体传参

struct S
{int data[1000];//4000字节int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参 
void print1(struct S s)//s先拷贝，占用内存很大
{//for循环打印数组printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参 
void print2(const struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);printf("%d\n",ps->data[i]);
}
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。

4.结构体实现位段

4.1 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 选择其他整型家族类型，⽐如：char。

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;//只占两个bit位int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};

struct s
{int _a;//4字节 32bit 可以节省30个字节int _b;int _c;int _d;//00   0//01   1//10   2//11   3
}

A就是⼀个位段类型。

位段是专门用来节省内存的

那位段A所占内存的⼤⼩是多少？

    // %zd            8字节
printf("%d\n", sizeof(struct A));//

在这里插入图片描述

4.2 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。

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。

//⼀个例⼦ 
struct S
{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;//00001010
s.b = 12;//00001100
s.c = 3;//00000011
s.d = 4;//00000100
//空间是如何开辟的？

在这之前我们先要了解一下内存的使用顺序

1.申请到的一块内存中，从左向右使用，还是从右向左使用，是不确定的 vs是从右向左

2.剩余空间，不是下一个成员使用的时候，是浪费呢？还是继续使用？ vs是浪费

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4.3 位段的跨平台问题

  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，是舍弃剩余的位是利⽤，这是不确定的。
    总结：
    跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

4.4 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。

在这里插入图片描述

4.5 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。

一个字节一个地址

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;
}

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