【结构体类型——详细讲解】

2023-09-18 19:18:02

结构体

1.结构体类型声明

1.1结构体的概念

结构体是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

1.2 结构的声明

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

例如描述⼀个学⽣：

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.struct是结构体的关键字，不可更改。
2.tag是结构体的名字，或者标签，可以更改。
3.member-list 结构体的成员列表，表示结构体内部的元素。
4.variable-list 结构体的变量成员列表，表示类型是结构体的变量，可以省略。

声明只是表示结构体的类型，并不占内存的空间，只有结构体变量初始化或者进行改变的时候，才会占用内存空间。

1.3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;

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;

警告：

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。
匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。

1.4 结构的自引用

在结构中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是否可以呢？
拿数据结构中的顺序表举例，自引用就是当你找到一个数字1的时候，你可以通过数字1顺藤摸瓜找到数字2，又可以从数字2顺藤摸瓜找到数字3，以此类推。
在这里插入图片描述
而结构体的自引用也是如此，不过其本身应该更类似与数据结构体中的链表。
在这里插入图片描述
通过1找到2，通过2找到3，通过3找到4，通过4找到5，这其中的每一个数字都是一个节点，这一个节点包含着前往下一个节点的线索，以此类推便可以顺藤摸瓜找到最后。

换到结构体身上便是一个结构体中包含着下一个结构体，且两个结构体是相同类型的，同名同标签（名 = 标签，不是变量名是结构体名）

那就有了下面的代码

⽐如，定义⼀个链表的节点：

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

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？
仔细分析，其实是不⾏的，因为⼀个结构体中再包含⼀个同类型的结构体变量，这样结构体变量的⼤⼩就会⽆穷的⼤，是不合理的。

正确的自引用方式：

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

根据链表的特点，我们将节点分为两个部分，一个部分存放的结构体本身的数据，另一个部分存放了下一个同类型同名的结构体的地址，这样便很好的解决了问题。

在结构体⾃引⽤使⽤的过程中，夹杂了typedef对匿名结构体类型重命名，也容易引⼊问题，看看下⾯的代码，可⾏吗？

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

答案是不⾏的，因为Node是对前⾯的匿名结构体类型的重命名产⽣的，但是在匿名结构体内部提前使
⽤Node类型来创建成员变量，这是不⾏的。

解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了

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

2.2. 结构体变量，全局变量、局部变量：

2.1结构体变量的创建和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单，结构体变量的初始化使⽤

结构体初始化

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
int main()
{
 
  struct peo p = {"张三","15596668862", "男", 181};
  return 0;
}

包含了其他结构体变量的初始化：

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
struct st
{
   struct peo p;
   int num;
   float f;  
};
 
int main()
{
 
  struct st s = { {"lisi","15596668888"，"女"，166}，108，3.14f};
  return 0;
}

4在包含其他结构体的变量时，进行初始化也要把其他结构体变量中的内容进行初始化。
比如以上代码中的{“lisi”,“15596668888”，“女”，166}就是结构体声明struct st中的另一个结构体变量struct peo p的变量的初始化。 

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

指⽰器初始化⽅式(C99)，这种⽅式允许不是按照成员顺序初始化。

struct Stu
{
char name[15];
int age;
};
struct Stu s = {.age=20, .name="zhangsan"}; //初始化

初始化的顺序：
在这里插入图片描述
记住需要按照结构体成员的顺序初始化

在这里插入图片描述

不按照顺序则需要按照以上写法使用 操作符 . 加上成员名 = 初始化的数据

但是以上两种的打印方式是一样的。

2.2结构体变量，全局变量、局部变量：

比如：

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
}p1，p2;
 
int main()
{
  return 0;
}

p1和p2都是结构体struct peo类型的变量，而且是全局变量。

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
int main()
{
 
  struct peo p;
  return 0;
}

p是结构体 struct peo类型的变量，但是它是局部变量。

结构体声明中包含其他结构体变量：

结构体声明中包含其他结构体变量：

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
struct st
{
   struct peo p;
   int num;
   float f;  
};
 
int main()
{
 
  struct peo p;
  return 0;
}

结构体struct st中包含了结构体struct peo类型的变量 p

3.结构体变量的打印：

3.1结构体变量的打印：

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
int main()
{
 
  struct peo p = {"张三","15596668862", "男", 181};
  printf("%s %s %s %d\n", p.name, p.tele, p.sex, p.high);
  return 0;
}

结构体打印的时候需要使用操作符 “ . ” 进行指引。
格式：结构体变量名 . 结构体成员名

3.2包含其他结构体变量的打印：

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
struct st
{
   struct peo p;
   int num;
   float f;  
}
 
int main()
{
 
  struct st s = { {"lisi","15596668888"，"女"，166}，108，3.14f};
  printf("%s %s %s %d %d %f\n", s.p.name, s.p.tele, s.p.sex, s.p.high, s.num, s.f);
  return 0;
}

包含其他结构体变量的打印方式如以上代码所示。

本结构体变量名.其他结构体变量名.列表成员名 —打印出其他结构体变量内部的结构体成员名的格式。

3.3使用指针变量名的打印：

在这里插入图片描述

4.结构体变量的传参：

4.1直接传参

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
void print1(struct Peo p)
{
   printf("%s %s %s %d\n", p.name, p.tele, p.sex, p.high);
}
 
int main()
{
 
  struct peo p = {"张三","15596668862", "男", 181};
  print1(p);
  return 0;
}

4.2间接传参/地址传参

struct Peo
{
   char name[20];
   char tele[12];
   char sex[5];
   int high;
};
 
void print2(struct Peo *sp)
{
   printf("%s %s %s %d\n",sp->name, sp->tele，sp->sex，sp->high);
}
 
int main()
{
 
  struct peo p = {"张三","15596668862", "男", 181};
  print2(&p);
  return 0;
}

传参地址，在打印的时候需要使用指针名->结构体成员名的格式

void print2(struct Peo *sp)
{
   printf("%s %s %s %d\n",sp->name, sp->tele，sp->sex，sp->high);
}
 
void print1(struct Peo p)
{
   printf("%s %s %s %d\n", p.name, p.tele, p.sex, p.high);
}

4.3两种传参的区别：

1.实参直接传给形参，其实是一种拷贝，形参也要开辟一个和实参一样大的空间，而后将实参的数据拷贝给形参，但是这样子会造成空间浪费，拷贝数据时也会浪费相对因的时间，若实参越大，浪费的空间越大，拷贝的时间越多。
2.把结构体变量的地址作为实参传递给形参，形参就只需要创建一个指针的变量空间，通过这个指针变量找结构体的所在空间位置，进行读取数据。

结论：所以结构体传参的时候一般使用传递结构体变量的地址进行传参。

5.结构体内存对齐

5.1为什么要内存对齐？

大部分材料上是这样说的：

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。
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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬的内存访问仅需要⼀次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执⾏两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
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，我们既要满⾜对⻬，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

举例：

//例如：
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 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。
通过计算得出以下结果：
在这里插入图片描述
是不是很奇怪，明明成员内容都是一样的，只不过调换了顺序，最后结构体的字节大小却发生了改变，这是为什么？

其实这是和结构体的内存对齐有关！

5.2对齐规则

概念：

结构体的对齐本质上就是求结构体的大小。

对齐规则：

1. 结构体的第⼀个成员对⻬到相对结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
2. 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。

对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与 该成员变量⼤⼩（变量的字节大小）的较⼩值。

VS中默认的值为8
Linux中没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩

3. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的 整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构 体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};

偏移数：类似于数组的下标，指的是结构体每个成员的首个地址距离结构体起始位置的距离。

在这里插入图片描述

5.3用结构体内存对齐的图例示范：——使用以上文代码进行举例

在这里插入图片描述

struct S1
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

上述代码也是如此：
在这里插入图片描述

结构体嵌套的内存对齐
在掌握普通结构体的所占内存和对齐后，那么关于结构体嵌套的对齐值和内存该如何计算呢？

struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
 
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

先求第一个struct S3的所占内存：
在这里插入图片描述
再求struct S4所占的内存：
在这里插入图片描述

5.4内存对齐的原因：


struct S
{
  char c;
  int i;
};

在这里插入图片描述
假设以上是一段内存，前面一段是不用内存对齐的模式，后面一段是使用内存对齐的模式。

二者看似毫无关系，且我们还觉得第二个模式还会浪费内存。

但是，内存对齐其实是一种那空间换取时间的操作。

为什么呢？

这其实是和编译器的读取有关，vs编译器是32位机器，所以读取字节是一次读四个，而后要当你的结构体第一个成员是char第二个成员是int 时，且不进行对齐那么要读两次内存。

甚至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。

5.5修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。


#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
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()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

6.结构体实现位段

位段是基于结构体的，创建位段是用来节省空间的。

6.1 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 ，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。
2. 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所占内存的⼤⼩是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

在这里插入图片描述

6.2 位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int ,unsigned int ,signed int 或者是 char 等类型
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。

举例：

//⼀个例⼦
struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

内存分配过程猜测：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
通过VS调试展示内存监视窗口显示表明猜测正确
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

6.3 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：
跟结构相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

6.4 位段的应用

下图是⽹络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报⼤⼩也会较⼩⼀些，对⽹络的畅通是有帮助的。

在这里插入图片描述

6.5 位段使用的注意事项

位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

struct A
{
 int _a : 2;
 int _b : 5;
 int _c : 10;
 int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}

好了，看到这里，你应该会使用结构体类型了！

该给我一键三连了吧

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