C语言进阶学习笔记四自定义类型详解之结构体

Posted 2021-06-29 大家好我叫张同学

文章目录

• • 结构体
  • • 结构的基础知识：
    • 结构体的声明
    • 结构体的自引用
    • 结构体变量的定义和初始化
    • 结构体内存对齐
    • 修改默认对齐数
    • offsetof
    • 结构体传参

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结构体

结构的基础知识：

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。
数组是一组相同类型的元素的集合。结构体也是一些值的集合，结构体的每个成员可以是不同类型的。

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结构体的声明

struct tag
{
	member_list;
}variable_list;

结构体关键字：struct
结构体的标签：tag
结构体的类型：struct tag
结构的成员列表：member_list
结构体变量列表：variable_list

例如描述一个学生：包括学生的姓名、学号、年龄、性别

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

上面的结构体声明方式属于完全声明，当然也存在不完全声明的情况，比如说省略结构体的标签
举例：

//匿名结构体类型
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*p;

思考：p = &x; 这句代码合法吗？能在编译器中正常运行吗？
编译器会报出警告：编译器会把上面两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的。

typedef-- - 类型重定义
思考：能否用typedef来重定义匿名结构体类型呢？
例如：

typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;
//这样写代码，可以吗?

这种方式在编译器下是跑不过的！

解决方法：

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

思考：struct Node* next; 可以用Node* next; 来替代吗？

答：不可以，typedef对结构体类型重定义，前提是结构体类型先完成创建后，再对其类型名称重定义一个新的类型名称，如果说在创建的结构体内部中就是使用重定义之后的类型名称？是不是还没创建完成就开始用了，这个地方可不能这样时间穿梭！

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结构体的自引用

思考：在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢 ?

//代码1
struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};
//可行否?

如果可以，那sizeof(struct Node)是多少 ?

理解：假设代码1中的方式可以执行，那么在创建结构体的过程中，struct Node next由于结构体struct
Node类型还没创建完成，所以其类型的大小是未知的，而struct Node类型的是否能成功创建又依赖于struct Node
next类型大小的确定性。所以这两者自相矛盾。因此上述方法不行！

结构体正确的自引用方式：

//代码2
struct Node
{
	int data;//数据域
	struct Node* next;//指针域
};

这种方式为什么又可以成功呢？

理解：这里面的结构体自应用方式并不是直接利用结构体来创建变量，而是创建指向该结构体类型的指针，我们知道，指针的大小跟其所指向的类型无关，仅跟平台环境有关，32位平台指针大小为4个字节，64位平台，指针大小为8个字节。正因为指针大小的确定性，所以再自引用的时候结构体类型的整体大小也是可以确定的。

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结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那要怎么样来定义结构体变量和初始化变量呢？
举例1：

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1;//声明结构体类型的同时定义变量p1
struct Point p2;//定义结构体变量p2
struct Point p3 = { 1,1 };//初始化：定义变量的同时给变量赋值

举例2：

struct Stu//类型声明
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
};
struct Stu s = { "Student_zhang",20 };//初始化

举例3：

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1;//声明结构体类型的同时定义变量p1
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,{1,2},NULL };//结构体嵌套初始化

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结构体内存对齐

关于结构体的基本使用我们已经掌握了，那么我们现在来讨论一个深层次的问题；
任何的数据类型都应该有其对应的内存空间大小，比如char大小为1个字节，int类型为4个字节，double类型是8个字节等等，没有确定的大小，就无法在创建的时候知道该分配给该类型变量的内存空间是多少。所以，结构体的大小是多少？又该如何计算呢？
这涉及到一个热门考点：结构体内存对齐！

结构体内存对齐规则：
1.第一个成员在与结构体变量偏移量为O的地址处。
⒉.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。
①对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。
②VS中默认的值为8 Linux中的无默认值，以自身大小为对齐数
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。

特别注意：第4点这里，嵌套的结构体对齐到的不是结构体整体大小的整数倍，而是结构体自己的最大对齐数的整数倍。

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练习一：

#include<stdio.h>
	struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct s1));
	return 0;
}

分析：

结果展示：

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练习2：

#include<stdio.h>
struct s2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct s2));
	return 0;
}

分析：

结果展示：

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练习3：

#include<stdio.h>
struct s3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct s3));
	return 0;
}

分析：

结果展示：

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练习4：
结构体嵌套问题

#include<stdio.h>
struct s3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct s4
{
	char c1;
	struct s3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct s4));
	return 0;
}

分析：

结果展示：

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思考：为什么存在内存对齐 ?

大部分的参考资料都是如是说的 :
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。
⒉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—起。

例如将练习1中的方式改成练习2中的方式：

	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所占用的空间大小是有区别的，前者大小为12个字节，后者为8个字节，显然后者这种方式空间利用的效率更高。

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修改默认对齐数

#pragma 设置默认对齐数

使用#pragma，可以用来改变我们的默认对齐数。
举例：

#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()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct s1));
	printf("%d\\n", sizeof(struct s2));
	return 0;
}

上面这个代码输出的结果是什么？

分析：s1结构体大小为12，这个在练习1中有详细讲解，关键是s2的大小是多少呢？
按照结构体内存对齐的规则，此时默认对齐数为1，则有：

结果展示：

结论：结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数来满足需求。

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offsetof

这是一个宏，用来计算结构体成员相对于结构体起始位置的偏移量

某度笔试题 :
内容：写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明
考察︰offsetof宏的实现

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct s2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", offsetof(struct s2, c1));
	printf("%d\\n", offsetof(struct s2, i));
	printf("%d\\n", offsetof(struct s2, c2));
	return 0;
}

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结构体传参

举例：

#include <stdio.h>
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);//传结构体地址
	return 0;
}

结构体传参有两种方式：
一种是传递结构体对象（传值），对应的就是print1函数的方式
另一种是传递结构体地址（传址），对应的就是print2函数的方式

思考：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。