1.自定義類型：結構體的介紹

在之前的博客中，我們簡單介紹過了關于結構體的基本知識，這里我們稍微復習一下。

結構體(struct)是C語言中一種重要的復合數據類型，它允許將不同類型的數據組合成一個整體。

1.1結構體的定義

結構體使用struct關鍵字定義，基本語法：

struct 結構體名 {數據類型 成員1;數據類型 成員2;// ...
};

?例如描述一個學生：

struct Stu {char name[20];int age;char sex[10];
};

1.2結構體的聲明和初始化

struct Student {int id;char name[20];float score;
};// 方式1: 先定義結構體類型，再聲明變量
struct Student stu1;// 方式2: 定義結構體類型的同時聲明變量
struct Student {int id;char name[20];float score;
} stu2, stu3;// 方式3: 使用typedef創建別名
typedef struct {int id;char name[20];float score;
} Student;
Student stu4;//方法4：特殊聲明，在聲明結構體的時候，可以不完全聲明
struct {int id;char name[20];float score;
}stu5;struct {int id;char name[20];float score;
}* stu6;stu6 = &stu5;

上述前三種聲明都沒有什么問題，而第四種聲明我們要格外注意，我們在聲明里省略了結構體標簽，那么stu6 = &stu5這個代碼能否能夠正確運行呢？我們測試一下：

我們可以看到編譯器報錯了，編譯器會把上面兩個聲明當成完全不同的類型。?

初始化結構體變量的方法一般有兩種，如下：

struct Student {int id;char name[20];float score;
};//按定義順序初始化
struct Student stu1 = { 20253265,"zhangsan",58.8 };//指定成員初始化
struct Student stu1 = { .id = 20251653,.name = "lisi",.score = 78.8 };

1.3結構體成員的訪問

1.使用點運算符?.?訪問結構體成員：

struct Student {int id;char name[20];float score;
};int main()
{struct Student stu1 = { 20253265,"zhangsan",58.8 };printf("%d\n", stu1.id);printf("%s\n", stu1.name);printf("%f\n", stu1.score);return 0;
}

?2.對于結構體指針，使用箭頭運算符?->訪問成員：

struct Student {int id;char name[20];float score;
};int main()
{struct Student stu1 = { 20253265,"zhangsan",58.8 };struct Student* ps = &stu1;printf("%d\n", ps->id);printf("%s\n", ps->name);printf("%d\n", ps->score);return 0;
}

2. 結構體內存對齊

2.1對齊規則

學習上文已經使我們掌握了結構體的基本使用，現在我們要來深入探討一個問題：計算結構體的大小。我們先來看一段代碼：

struct S1 {char c1;char c2;int i;
};struct S2 {char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));printf("%zd\n", sizeof(struct S2));return 0;
}

大家可以猜一下這段代碼的結果，會打印6，6嗎，我們運行看結果：

?我們看到結果打印和我們預料結果完全不同，這是否說明在結構體中內存分配和正常內存分配有很大差異呢？答案是肯定的，我們先來學習結構體內存分配規則：對齊規則。

對齊規則：

1. 結構體的第一個成員對齊到和結構體變量起始位置偏移量為0的地址處

2. 其他成員變量要對齊到某個數字（對齊數）的整數倍的地址處。

? ? 對齊數 = 編譯器默認的?個對齊數 與 該成員變量大小的較小值。

? ??- VS 中默認的值為 8

? ??- Linux中 gcc 沒有默認對齊數，對齊數就是成員自身的大小

3. 結構體總大小為最大對齊數（結構體中每個成員變量都有?個對齊數，所有對齊數中最大的）的整數倍。

4. 如果嵌套了結構體的情況，嵌套的結構體成員對齊到自己的成員中最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數（含嵌套結構體中成員的對齊數）的整數倍。

S1結構體的第一個變量c1對齊到和結構體變量起始位置偏移量為0的地址處,對應0字節空間，第二個成員變量為c2,對齊數為1（字符類型變量大小為1）和8（vs2022默認對齊數為8）的最小值,其實位置要對齊1的整數倍，對應1字節空間，第三個成員變量為i，對齊數為4（整型類型變量大小為4）和8（vs2022默認對齊數為8）的最小值，起始位置要對齊4的整數倍，對應4~7的字節空間。結構體總大小是最大對齊數的整數倍，S1結構體最大對齊數是4，要存入三個成員變量，至少需要8個字節，所以該結構體總大小為8個字節。如上圖所示。

S2結構體的第一個變量c1對齊到和結構體變量起始位置偏移量為0的地址處,對應0字節空間，第二個成員變量為i,對齊數為4（整型類型變量大小為4）和8（vs2022默認對齊數為8）的最小值,起始位置要對齊4的整數倍，對應4~7字節空間，第三個成員變量為c2，對齊數為1（字符類型變量大小為4）和8（vs2022默認對齊數為8）的最小值，起始位置要對齊1的整數倍，對應8的字節空間。結構體總大小是最大對齊數的整數倍，S1結構體最大對齊數是4，要存入三個成員變量，至少需要9個字節，所以該結構體總大小為12個字節。如上圖所示。

?解決了上述兩個問題，我們在看一個存在結構體嵌套求解結構體內存大小的問題。

?S3結構體的第一個變量c1對齊到和結構體變量起始位置偏移量為0的地址處,對應0字節空間，第二個成員變量為s2,嵌套的結構體成員對齊到自己的成員中最大對齊數的整數倍處,對齊數為4，起始位置要對齊4的整數倍，對應4~15字節空間，第三個成員變量為d，對齊數為8（雙精度浮點數類型變量大小為8）和8（vs2022默認對齊數為8）的最小值，起始位置要對齊8的整數倍，對應16~23的字節空間。結構體總大小是最大對齊數的整數倍，S3結構體最大對齊數是8，要存入三個成員變量，至少需要24個字節，所以該結構體總大小為24個字節。如上圖所示。

其實我們在劃分內存的時候，有些內存空間會被我們浪費掉，可不可以避免掉呢，其實是可以避免一部分的，在接下來的學習中我回講到。

上述三體都是根據對齊規則求出來的，大家要好好掌握。

2.2為什么回存在內存對齊

1. 平臺原因 (移植原因)：

不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數據的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數據，否則拋出硬件異常。

2. 性能原因：

數據結構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內存，處理器需要作兩次內存訪問；而對齊的內存訪問僅需要一次訪問。假設一個處理器總是從內存中取8個字節，則地址必須是8的倍數。如果我們能保證將所有的double類型的數據的地址都對齊成8的倍數，那么就可以用個內存操作來讀或者寫值了。否則，我們可能需要執行兩次內存訪問，因為對象可能被分放在兩個8字節內存塊中。

總體來說：結構體的內存對齊是拿空間來換取時間的做法。

?那在設計結構體的時候，我們既要滿足對齊，又要節省空間，如何做到：

//例如：
struct S1//8
{char c1;int i;char c2;
};struct S2//12
{char c1;char c2;int i;
};

?S1 和 S2 類型的成員?模?樣，但我們讓占有空間小的成員集中在一起，可以讓結構體所占空間大小變小一點。

?2.3修改默認對齊數

用#pragma這個預處理指令，可以改變編譯器的默認對齊數。

?可以看到我們將默認對齊數改為1，結構體所占內存空間變為了6個字節，減少了很大一部分空間。

結構體在對齊方式不合適的時候，我們可以自己更改默認對齊數。

?3.結構體傳參

struct S
{int data[1000];int num;
};struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };//結構體傳參
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}//結構體地址傳參
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}int main()
{print1(s); //傳結構體print2(&s); //傳地址return 0;
}

上面的print1和print2函數那個好一些？首選print2函數。

?原因：

函數傳參的時候，參數是需要壓棧，會有時間和空間上的系統開銷。如果傳遞?個結構體對象的時候，結構體過?，參數壓棧的的系統開銷?較?，所以會導致性能的下 降。

結構體傳參的時候，要傳結構體的地址。

4.結構體實現位段

4.1什么是位段

位段的聲明和結構式類似的，有兩個不同：

1. 位段的成員必須是 int 、 unsigned int 或 signed int ，在C99中位段成員的類型也可以

選擇其他類型。

2. 位段的成員名后邊有?個冒號和?個數字。

比如：

struct A
{int _a : 2;//代表該變量在內存空間中僅占2個bit位int _b : 5;//代表該變量在內存空間中僅占5個bit位int _c : 10;//代表該變量在內存空間中僅占10個bit位int _d : 30;//代表該變量在內存空間中僅占30個bit位
};

這就是一個典型的位段示例。它可以控制成員在內存中所占bit位的個數，那么他總共占的內存空間有多大呢？

位段的內存分配規則很大一部分取決于編譯器，以作者所用的vs2022環境下舉例，看以下代碼：

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;
}

從調試結果看，所占空間為3個字節。我們來分析過程：

a = 10,二進制為01010，而結構體位段規定a中只能存放3個bit位的數據，所以存010

b = 10,二進制為01100，而結構體位段規定a中只能存放4個bit位的數據，所以存1100

c = 10,二進制為00011，而結構體位段規定a中只能存放5個bit位的數據，所以存00011

a = 10,二進制為00100，而結構體位段規定a中只能存放4個bit位的數據，所以存0100

知道它們在內存中存的是什么之后，我們還有一個問題，它們是按什么順序，什么規則存進去呢？?在vs2022環境下,在一個字節中，他要從高地址往低地址存放，第一個字節8個bit位存01100010，最高位之所以是0，是因為下一個數據占5個bit位的內存，1個bit位存不下，所以只能存放至下一個字節中（下同），第二個字節存00000011，第三個字節存00000100，最后在調試結果下從低地址到高地址分別為：0x62,0x03,0x04。

4.2位段的跨平臺問題

1.int 位段被當成有符號數還是無符號數是不確定的。不能確定最高位是否為符號位。

2.位段中最大位的數目不能確定。（16位機器最?16，32位機器最?32，寫成27，在16位機器會出問題。）

3.位段中的成員在內存中從左向右分配，還是從右向左分配標準尚未定義。（vs2022環境下，從右向左，也就是從高地址向低地址存）

4.當一個結構包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納于第一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。（vs2022環境下，舍棄）

跟結構相?，位段可以達到同樣的效果，并且可以很好的節省空間，但是有跨平臺的問題存在。

4.3位段的應用?

4.4位段使用的注意事項

struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};
int main()
{struct A sa = { 0 };scanf("%d", &sa._b);//這是錯誤的//正確的?范int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}