C语言进阶学习笔记四自定义类型（结构体+位段）
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了C语言进阶学习笔记四自定义类型（结构体+位段）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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。
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！
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。
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
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。
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：
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：
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：
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：
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。
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。
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;
}
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。
位段
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。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
举例：
#include<stdio.h>
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
printf("%d\\n", sizeof(struct A));
return 0;
}
struct A就是一个位段类型，那么A的大小是多少呢？
要想回答上面的这个问题，首先要了解位段的成员名后边有一个冒号和一个数字，这个数字的含义是什么。实际上冒号后面的数字表示的是二进制bit位，具体分析如下：
扩展：
①实际试验的时候，整型类型均可
②同一个位段中类型仅出现一种，比如说，int类型和unsigned
int类型不同，不能同时在同一个位段中
位段的内存分配
1.位段的成员可以是int unsigned intsigned 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。
这些不确定因素体现在：
①空间是否要被浪费？
②空间是从左向右使用还是从右向左使用？
比如说VS2019：①先开辟1 / 4个字节， ②从右向左使用，空间会被浪费
举例：
#include<stdio.h>
struct S
{
char a : 3;
char b : 4;
char c : 5;
char d : 4;
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
return 0;
}
执行前：
执行后：
分析：
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 :
跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间（优点），但是位段有跨平台的问题存在（缺点）。
位段的应用场景
网络传输协议包（计算机网络中数据传输协议包会提及）
中文对照版：
以上是关于C语言进阶学习笔记四自定义类型（结构体+位段）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章