C语言自定义类型：结构体

news/2024/9/28 10:08:25 标签: c语言, 开发语言

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  • 前言
  • 一、 结构体类型的声明
    • 1.1结构体的回顾
      • 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
  • 二、 结构体内存对齐
    • 2.1 对齐规则
    • 2.2 为什么存在内存对⻬?
    • 2.3 修改默认对齐数
  • 三、结构体传参
  • 四、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
  • 总结

前言

我们知道C语言有内置的类型，char,int,float等，但是在日常生活中会存在很多复杂的类型无法用内置类型来表示，比如一个人，人有身高，体重，年龄等，这个时候我们就要人为的创造类型；—结构体。

一、 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。<点击跳转前面链接>

1.1结构体的回顾

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
{
 member-list;
}variable-list;

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

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

struct 
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x = { .a = 1, .b = 'a', .c = 3.4 } ;

不完全声明只能在定义结构体的时候使用一次；
在这里插入图片描述
我们来看看下面的代码：

//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;

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：

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;
 struct Node* next;
};

我们在定义一个结构体变量的时候，我们会写struct Node S，这样写比较麻烦，所以我们在编写代码是通常将其与typedef相结合；

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

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！

解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体

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

二、 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。

struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};


int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%zd\n", sizeof(s));
	return 0;
}

大家可以猜猜这个结构体的长度是多少？
相信很多人猜的是6，是这样吗？
在这里插入图片描述
12?why,我们继续来学习以下内容

这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬。

2.1 对齐规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

  1. 结构体的第⼀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. 其他成员变量要对⻬到某个数字（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;
  1. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（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。
  2. 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倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

我们先来看看不嵌套结构体的情况，即前三个规则：

利用这个规则来过一遍这个过程，首先存储第一个成员，char c1，存到偏移量为0的地址处，也就是0处；
再来存储int i，int i类型的大小是4，VS默认值是8，所以对齐数取4，向下找4的倍数，即4，往下存储，到7；
同理存储char c2，类型大小是1，VS默认是8，对齐数取1，向下找1的倍数，即8，char类型只要一个字节；
但是，结构体的总大小为最大对齐数的整数倍，即4的整数倍，从9开始找，即到11;
所以S的大小是12(0-11)；

在这里插入图片描述

我们来点练习：

//练习1
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));  //8
//练习2
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
printf("%zd\n", sizeof(struct S3));   // 16

我们再来看看嵌套结构体的情况，即前四个规则：

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};


int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

我们继续来一步一步的分析：
第一个成员char c1，存到偏移量为0的地方；
第二个成员即struct S3，是嵌套结构体，对齐到自己的成员的最大对齐数的整数倍，即8的整数倍，对齐到偏移量为8的位置；(8-23)
第三个成员即double d，对齐数为8，即从偏移量为24的地方开始存（24-31）

所以struct S4的大小为32
在这里插入图片描述
运行结果：在这里插入图片描述

2.2 为什么存在内存对⻬?

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.

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：

//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 修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

#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("%zd\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

我们一般设置是2的n次方；

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齐数。

三、结构体传参

我们如果将结构体当参数传进函数，很多人可能会这样写：

struct S
{
	int arr[20];
	int n;
	float d;
};

void print1(struct S tmp)
{

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", tmp.arr[i]);
	}
	printf("%d ", tmp.n);
	printf("%lf ", tmp.d);
}



int main()
{
	struct S s = { {1,2,3, 4,5},100, 3.14 };
	print1(s);
	return 0;
}

这种方法无疑是可以的，但，我们如果直接将结构体传进函数，也就是将结构体整个复制一份给函数栈帧空间，但我们学习了结构体的内存结构，为了访问方便，我们会“浪费一些”空间，那如果我们这样传参，也会浪费函数的栈帧空间；

所以我们一般传给函数一个指针变量：

struct S
{
	int arr[20];
	int n;
	float d;
};

void print2(struct S* ps)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d", ps->arr[i]);
	}
	printf("%d ", ps->n);
	printf("%lf ", ps->d);
}


int main()
{
	struct S s = { {1,2,3, 4,5},100, 3.14 };
	print1(s);
	return 0;
}

这样传参的时候只会传进一个地址，也可以达到效果，但内存的空间大大减少；

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。

大家如果不知道什么是压栈，可以看看小编的这篇文章:函数栈帧

四、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

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 选择其他类型。
  2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

注：有的课本会说一般结构体成员的名字都是‘_’开头；

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所占内存的⼤⼩是多少？

printf("%zd\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;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

两个问题：

  • 申请到的一块内存，从左向右使用，还是从右到左使用，是不确定；(VS是从右到左的使用)
  • 剩余的空间，不足下一个成员使用，是浪费，还是继续使用(VS是将其浪费)

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 剩余的位还是利⽤，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。

那如何解决问题？
我们可以针对不同的平台写不同的代码，来解决这个问题；

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。

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;  //一般先给一个变量赋值，再将这个变量赋给位段成员
 return 0;
}

在这里插入图片描述
注：使用位段的时候，创建的类型要尽量保持一致；

总结

这期我们学到了一种自定义类型—结构体，并讨论了一下结构体的大小，和用结构体实现位段，下期见！


http://www.niftyadmin.cn/n/5680870.html

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