自定义类型之结构体

Posted 2021-11-24 Suk_god

文章目录

• 结构体类型的声明
• • 结构的基础知识
  • 结构的声明
  • 特殊申明
• 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（重难点）
• • 对齐规则
  • 为什么要对齐
  • 修改默认对齐数

结构体类型的声明

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

结构的声明

struct tag
{
	member-list;
}variable-list;

例如，创建一个学生结构体

struct stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
};

特殊申明

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;

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;
p = a;

第一条显然不合法，p和x是在两个结构体中分别定义的变量，它们不能混用
第二条合法。
总结：编译器会把上面的两个结构体当成完全不同的两个类型，即便它们内部元素完全一样。

结构体的自引用

结构体的自引用应该通过结构体指针实现，例如

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

该类型主要用于链表这一基本数据结构。

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，定义变量就和基本数据类型定义变量的方法一致

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

结构体内存对齐（重难点）

对齐规则

每个数据类型都有自己的大小，那么结构体类型的大小是多少呢？该如何计算呢？
这就是我们要研究的结构体内存对齐！
首先我们介绍结构体内存对齐的规则：

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。

其他成员变量：除了第一个成员变量
什么是对齐：当前存入变量的起始偏移量能够整除变量自身的大小
对齐数：默认情况下自身对齐，即自身大小
整数倍：如何计算？起始偏移量/对齐数
为什么第一个成员变量不需要对齐？
第一个成员的偏移量为0，0/任何数，都能整除，所以一定是对齐的。
注意：如果准备对齐，一定要让起始偏移量成为能够整除自身对齐数的最小整数。

3、结构体总大小一定是最大对齐数（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，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（包括嵌套结构体的对齐数）的整数倍

注意：如果出现结构体嵌套的情况，内部结构体的对齐数不再是结构体自身大小，而是内部元素的最大对齐数。
第一个成员虽然不参与对齐，但是它要参与最大对齐数的比较。
如果结构体包含了数组，第一个元素对齐，其他元素均已对齐。数组的对齐数为内部元素的大小。

以上就是结构体的对齐规则，在计算时严格遵守上面的4条规则

小试牛刀：

//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));
//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct s4));

话不多说，我们对上面四组代码画图解释他们的存储情况：

相信只要懂了对齐的四条规则，这张图很好理解。
看看运行结果

为什么要对齐

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。

看下面的例子

//例如：
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\\n",sizeof(struct S1));
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\\n",sizeof(struct S2));

我们可以看到S1和S2的成员一模一样，但是所占空间大小却不相同。
所以我们在设计结构体的过程中，应该让空间小的成员尽量集中在一起。

总体来说

结构体内存对齐是拿空间换时间的做法

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。

#include <stdio.h>
#pragma pack(2)//设置默认对齐数为2
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

int main()
{
    printf("%d\\n", sizeof(struct S1));//8
    return 0;
}

结论：

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数

未完，待更~~