结构体的声明使用及存储方式

本是古典何须时尚 2023-09-26 17:45 21阅读 0赞

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**文章目录**

一、结构体的声明与使用

1、1 结构体的简单声明

1、2 结构体的特殊声明

1、3 结构体自引用

1、4 结构体变量的定义和初始化

1、5 结构体传参

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

2、2 结构体的内存对齐

2、3 修改默认对齐数

三、结构体的位段

3、1 什么是位段

3、2 位段的内存分配

四、总结

> 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][Link 1]），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？![eed2234cbe3041d5b997204b87b48bb1.png][]
> 
> 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**：
> 
> 1.  第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
> 2.  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。
> 3.  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**。
> 4.  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。
> 
> ![6c2a086383e64b48839d26c0bcdae4c4.png][]
> 
> 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？
> 
> ![6358ecc3f8624ee2a9d0c6ef2f18e7fc.png][]
> 
> 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：
> 
> 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。
> 
> 在使用位段时，我们也要注意以下几点：
> 
> 1.  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
> 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。

> 通过上面对位段的了解后，我们也就知道上述例题的答案为什么是8了。 上述的结果位段的标准是是从右向左分配标准、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。

## 四、总结 ##

> 结构体的声明和使用相对来说较为简单，我们需要重点掌握结构体的内存对齐规则和位段。这也是常考的内容。后续我会更新一篇关于结构体的练习的文章，大家可以用来练习巩固。

> 我们对于结构体的讲述就到这里，希望以上内容对你有所帮助。感谢观看ovo~

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_67596609/article/details/128544897
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