深度剖析结构体@自定义类型1---结构体的声明，自引用，变量定义和初始化 + 结构体内存对齐 + 结构体传参 + 结构体实现位段
Posted 呀小边同学
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了深度剖析结构体@自定义类型1---结构体的声明，自引用，变量定义和初始化 + 结构体内存对齐 + 结构体传参 + 结构体实现位段相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文重点
🔑 引:
⭐️C语言有许多内置类型，如char,short,int, long,float,double等，
⭐️而描述书（书名+作者+出版社+定价+书号）或者人（名字+年龄+身高+身份证号码）这种复杂对象，则要用可自定义的结构体类型来描述。
❄️本文介绍的结构体内存对齐，是面试考点，很重要，小伙伴们都搞起来！
正文开始@边通书
一、结构体基础知识
1.结构体声明与变量的定义
struct tag
{
member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表（可以在这里直接创建变量也可不写）
例如描述一本书：（
特殊的声明:
声明结构时，可以不完全的声明。如，匿名结构体类型
//匿名结构体类型
struct
{
int a;
char b;
float c;
}s1,s2;//只能用一次，顺带着就直接创建变量s1,s2
int main()
{
struct s3;//这样是不行的的，连名字都没有，没法创建
return 0;
}
若两个结构在声明时都省略掉结构体标签：
struct
{
int a;
char b;
float c;
}s;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[10], *p;
问：那么在上面代码基础上，这样的代码合法吗？
p = &x;
可见，尽管两结构体成员一模儿一样儿，编译器还是会把上面的两个声明当做完全不同的类型，所以是这段代码是非法的。
2.结构体自引用
💚自己如何找到和自己同类型的对象呢？
引：
那么从 节点1 如何找到 节点2 ?
//思考：像这样在一个结构体内包含为结构体本身的成员可以吗？
struct Node
{
int data;
struct Node n;
};
//如果可以，那sizeof(struct Node);是多少？
❌不可以的，会无限递归下去，sizeof(struct Node);也会无限大。
⭐️正确的自引用方式
struct Node
{
int data;//数据域
struct Node* next;//指针域-->可以找到下一个节点
};
✅自己能够找到同类型的另一个对象—要存同类对象的地址
3.结构体变量的初始化和使用
💚初始化：
💚使用：
#include<stdio.h>
struct Point
{
int x;
int y;
};
struct S
{
double d;
struct Point p;
char name[20];
};
int main()
{
struct S s = { 3.14, { 3, 4 }, "laowang" };
struct S* ps = &s;
printf("%lf\\n", s.d);
printf("%lf\\n", ps->d);
printf("----------------\\n");
printf("%d %d\\n", s.p.x, s.p.y);
printf("%d %d\\n", ps->p.x, ps->p.y);
printf("----------------\\n");
printf("%s\\n", s.name);
printf("%s\\n", ps->name);
return 0;
}
运行结果：
二、结构体内存对齐
⭐️掌握了结构体的基本使用后，将深入探讨如何计算结构体大小。
❄️这是特别热门的考点，大家都搞起来！
思考：这个结构体类型大小是多少？
没关系，不太知道为什么小伙伴往下读就一定懂了！
1.结构体的对齐规则
❄️1. 结构体的第一个成员永远放在结构体起始位置偏移量为0的地址处。
❄️2. 第二个成员开始，总是放在偏移量为对齐数整数倍的地址处。
⛄️ 对齐数 == 编译器默认的对齐数 与 变量自身大小的较小值 (vs的默认值为8)❄️3. 结构体的总大小必须是各成员的对齐数中最大对齐数的整数倍。
看完规则你可能还是有点蒙，不过没关系，下面
上代码边分析边学习：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S1));
🔑解析：
做几道练习来巩固一下吧！
练习2：
根据结构体内存对齐规则，思考下面结构体大小：
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S2));
🔑解析：
练习3：
根据结构体内存对齐规则，思考下面结构体大小：
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S3));
🔑解析
练习4—结构体嵌套问题
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;
}
这就先需要补充第四条规则：
❄️ 4. 如果嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数。整个结构体的大小是所有成员最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。
🔑解析：
2. 结构体内存对齐的意义：
这个没有官方解释，大部分的参考资料如是说：
🐟1.平台原因
不是所有硬件平台都能访问任意地址的数据；某些硬件平台只能在某些地址处读取特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
🐟2.性能原因
数据结构(尤其是栈)应该尽可能在自然边界上对齐。
原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器可能要做两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问,提升了效率。(画图说明)
结构体的内存对齐是用时间换取空间的一种做法，那在设计结构体时，可以稍稍动一点脑筋，既满足对齐，也不要浪费太多空间。
🔑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;
};//12byte
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};//8byte
尽管s1和s2类型的成员一模一样，但是占用空间的大小还是有一定区别。
3. 修改默认对齐数
之前我们见过#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：(vs默认对齐数为8，Linux没有默认对齐数)
上代码：
#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()//取消设置默认对齐数,恢复默认
#pragma pack(1)//相当于没有对齐（没有空间浪费，当然效率也比较低）
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置默认对齐数，恢复默认
int main()
{
printf("%d\\n", sizeof(struct S1));//12byte
printf("%d\\n", sizeof(struct S2));//6byte
return 0;
}
运行结果:
在结构体对齐方式不合适时，我们可以自己修改默认对齐数，但也不能乱改，一般为
2n 。
4. 百度笔试题
题目：写一个宏，计算结构体中某成员相对结构体首地址的偏移量
考察：offsetof宏的实现
这里小边还没有写有关宏的文章，在此只介绍offsetof函数的使用。
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>//@offsetof
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
//offsetof是一个宏：这里居然是类型传参，后面还会聊
int main()
{
printf("%u\\n", offsetof(struct S1, c1));
printf("%u\\n", offsetof(struct S1, i));
printf("%u\\n", offsetof(struct S1, c2));
return 0;
}
运行结果：
三、结构体传参
上代码：
思考：哪种打印函数更好些？
#include<stdio.h>
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
void print1(struct S tmp)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", tmp.data[i]);
}
printf("\\n%d\\n ", tmp.num);
}
void print2(struct S* ps)//为了使ps指向内容不被修改，可以写成(const struct S* ps)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ps->data[i]);
}
printf("\\n%d\\n ", ps->num);
}
int main()
{
struct S s = { { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 }, 100 };
print1(s);
print2(&s);
return 0;
}
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，效率低下。
❄️ 因此结构体传参时，最好还是穿结构体的地址。
四、结构体实现位段
1. 什么是位段
在此之前，你可能只听说过段位，没有听说过位段哈哈哈哈哈，不过呢，聊完结构体就要聊一聊结构体实现位段的能力：
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、signed int或char，即整形家族。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：
struct S
{
char a : 3;
char b : 4;
char c : 5;
char d : 4;
};
这是什么意思呢？那我们先来测一测它的大小：
printf("%d\\n", sizeof(struct A));
运行结果：
好像与结构体相比，位段A变小了。
其实呀，位段中的"位"代表的就是二进制位，🔑位段就是可以节省空间的！
生活中的有些值，不需要太多的存储空间，比如表示性别，男00–女01–保密11，只需要两个比特位即能表示，
struct A
{
int _a : 2;//_a 2个bit位
int _b : 5;//_b 5个bit位
int _c : 10;//_c 10个bit位
int _d : 30;//_d 30个bit位
};//47个bit位
看起来，好像6byte就足够了，那位段A的大小为什么是8byte?
那位段的内存分配究竟是怎样的呢？
2. 位段的内存分配
❄️1.位段的成员必须是
int、unsizgned int、signed int或char，即整型家族。
❄️2.位段的空间是按照需要以4个字节(int)或者一个字节(char)的方式来开辟。
❄️3.位段涉及了很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。
那我们再来分析一下struct A的内存分配过程。
再分析一段代码：
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;
}
在此，我们先按照如下猜想进行内存分配：
为了探寻究竟，我们调试起来监视一下：（vs2013环境测试数据）
由此可见，接过与我刚刚分析出来的一样：
⛄️开辟空间 — 一次一个字节
⛄️放数据 — 从低位到高位使用，紧挨着使用；若高位空间不够用，则浪费掉，重新开辟新的字节
但这也仅仅是在vs上成立。
2.3 位段的跨平台问题
- int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
- 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器 – int 2byte = 16bit，32位机器最大32，假如写成27，在16位机器会出问题。
- 位段中的成员一个整型/字节内部在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
- 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，而第一个位段剩余的位无法容纳时，是浪费还是利用剩余的位，这是不确定的。
与结构相比，位段作用相似，结构能使用的地方，位段设计合理也能实现。可以很好的节省空间，但是也有跨平台的问题存在。
2.4 位段的应用
本文完@边通书
接下来的文章将介绍有关枚举与联合的相关内容。
敬请期待！ 哈哈哈哈
以上是关于深度剖析结构体@自定义类型1---结构体的声明，自引用，变量定义和初始化 + 结构体内存对齐 + 结构体传参 + 结构体实现位段的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章