结构体的理解

结构体

前言

记录对于结构体知识的了解

结构体？

结构体是一种复杂类型对象，可以用来描述一些复杂对象；
比如说：对于一个人来说，他不光只有年龄、身高、体重、姓名等，我们通过基本数据类型无法来描述它，为此我们得想办法，解决他啊！C语言为我们提供了struct关键字来解决这个问题，利用struct关键字我们可以用来定义结构体，把这些原本单个的数据给它打包在一起，形成一个新的类型；
那么struct怎么用呢？
举个例子，比如说我们要描述人：

structPerson{char name[20];char sex[5];int age;}

我们想这样定义就好了，其中struct Person就是和int 、char、double同等地位的东西了，struct Person也是一个数据类型，只不过它是复杂数据类型，由基本数据类型组成，能描述的信息也就更多。这也是C语言的灵魂之一；
基本语法就是：

struct +类型名
{
成员变量；
}；//主义这里要加分号结尾；
因此我们有了这样的一个类型，我们该如何定义变量呢？

定义变量

上面我们说了struct定义出来的复杂数据类型和基本数据类型是一样的地位，都是类型，那么自然的定义变量的方式也是一样的；
基本数据类型是怎么定义的我们就怎么定义：

红色部分是我们的类型，黑色部分是变量；

如何赋初值？

赋初值就和基本数据类型有所区别了，基本数据类型，只有一个，我们只需要=进行赋初值就行了；但是复杂数据类型不一样啊，它里面有多个基本数据类型，为了能给每个都赋值到位，我们应该用{ }的形式进行赋值操作，其中格式按照基本数据类型对应的格式就好了：
比如：

structPerson p1={"张三","man",19};

必须按照基本数据类型的顺序正确赋值，不能随意颠倒顺序；！！！
就像数组那样一样赋值就像了；
我们还有一直赋初值的方式：
上面一种方式不是要求我们不能颠倒赋值顺序嘛，这一种方式就是破解上一个方式的：

structPerson p1={.age=19,.sex="man",.name="张三"};

像这样的赋值方式相当于我们“指哪打哪”想给那个成员变量赋值，就给那个成员变量赋值；这里我们讲到了**.**(点)这个操作符，也就是访问结构体的方式；

结构体的访问

既然我们定义好了结构体同时也对结构体进行了相应的初始化，那么我们应该如何去访问结构体里面的数据呢？
C语言为我们提供了两个操作数去解决这个问题：

.操作符和->操作符；
.操作符是配合着普通结构体变量来使用的；
->操作符是配合结构体指针来使用的；
具体怎么使用呢，我们来具体看一看：
1、.操作符使用

2、->操作符使用

结构体的嵌套使用

当然我们的结构体不是只能由基本数据类型组成，还可以由结构体组成：
比如说：

注意事项

1、结构体并不一定要有名字，匿名结构体（没有名字的结构体也是可以的），但是该结构只能用一次；什么意思呢？
我们来看代码；

我们不能单独将匿名结构体拿出来创建变量，我们只能在定义结构体的的时候随便创建一个变量（类似于左边图）,这就是为什么匿名结构体只能使用一次？
那么如果现在有我定义了两个一模一样的匿名结构体，编译器会认为这两个结构体是同一个数据类型吗？
我们来验证一下：
测试代码：

struct{char name[20];char sex[5];char id[20];int age;}str1 ={"张三","man","110112119112",10};struct{char name[20];char sex[5];char id[20];int age;}*str2;intmain(){
    str2 =&str1;return0;}

我们可以看到虽然编译器让段代码通过了，但是还是保了个警告；
我们知道“=”两边的数据类型必须一样，现在报了警告，这说明现在“=”两边的数据类型出现了不统一，这也就说明了虽然两个匿名结构体虽然成员变量完全一模一样，但是在编译器看来他们仍然是两个不同的数据类型；当然对于两个完全相同的有名结构来说就不会存在这样的情况，编译器会直接给你报错误，说你重定义了这个数据类型：

2、对于结构体来说，它的类型名字一般都比较长，我们有没有什么办法使它的名字变得短一点；当然可以，我们可以利用typedef关键字对类型进行重名名，比如说：

我们利用了typedef使得原来冗长的数据类型变得简单起来了，虽然简单起来了，我们确不能滥用，因为我们利用typedef过后，代码可读性变差了，就比如：Person，单单放在这里，我们可以说他联合体类型、也可以说他是枚举类型同时也可以说他是结构体类型，给人的可读性不是太友好；当然这只是一方面的原因，同时一些公式也会对此做一些代码规范的要求，有些公式可能为了代码的可读性，禁止使用typedef，当然有的公司则无此限制；具体怎么使用看个人情况；
3、我们定义一个结构体最好定义在函数的外面，不要再函数内部定义，这样的话我们才能进行更多的操作和减少不必要的麻烦；
4、结构体虽然能嵌套使用，但是不能嵌套自己；
比如这样：

为什么呢？
你看我们好像无法计算出struct Person这个结构体的大小对吧，我们知道name是20个字节，那struct Person是多大呢？你看我们是不是又回到了原点，似乎该计算过程在无限递归下去，我们无法求的一个准确的大小，编译器也就无法为其开辟一个合理的空间；
但是呢我们可以嵌套自己类型的指针啊，你想啊指针的大小是固定的（4/8）我们可以明确算出结构体的大小啊！

事实的确是这样的！

结构体的大小

既然上面我们谈到了结构体的大小问题，那我们便来看看一个结构体，
并算一算结构体的大小是多少；

structPerson{char a;char b;int c;};

我们来算一算这个结构体的大小
可能我们第一次算的时候会算成6；那么结果是不是呢，我们运行一下：

我们可以看到运行结果是8，这是为什么？？
这主要是由于啊，结构体的大小并不是简单的相加就解决的，对于结构体来说，它们存在这内存对齐这一说法；
何为内存对齐？

内存对齐

内存对齐：

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。 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。 VS中默认的值为8
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。

下面我们就来具体应用一下该规则（VS2019环境，默认对齐数：8）：

下面我们来放空间：

这也就是为什么该结构体大小是8的原因；
既然明白了原理，我们立刻趁热打铁，继续算几个：

structS2{char c1;int  c2
char c3;};structS3{double d;char c;int i;};

我们画一个s3吧，另一个当作练习：

空间分布：

运行结果：

的确如此；
那么我们现在来看一个结构体嵌套的结构体的大小：

structS3{double d;char c;int i;};structS4{char a;int b;structS3 e;};

由上面可知S3的总大小是16个字节，然后呢根据内存对齐的第4条规则，我们可以得出S3结构体的对齐数为其成员对齐数的最大值，也就是：8，因此S3的对齐数为8；
接下来我们算一下对齐数表：

接下来分配内存：

运行一下：

的确如此！！！

默认对齐数的修改

既然由默认对齐数这个东西，我们能不能去修改掉它呢？
当然可以；

我们可以通过预处理指令来修改
比如#pragma pack(4)//修改默认对齐数为4
#pragma pack()//取消默认对齐数修改

下面我们还是来计算

structS3{double d;char c;int i;};

我们快速计算一下：
07//d占用
8//c占用
911//浪费
1215//i占用
总的:16字节，最大对齐数是4，16是4的整数倍，故最后结构体总大小为：16字节；
运行截图：

同时我们可以利用offsetof宏函数来计算一下每个成员变量的偏移量，同时验证我们的推理过程是否正确；
07//d从偏移量为0占用
8//c从偏移量为8占用
911//浪费
1215//i从偏移量为12占用
在使用前先了解一下offsetof宏函数：

包含在同文件<stddef.h>里面；
运行结果：

的确如此；

为什么存在内存对齐？

从两个方面来说：

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。
比如说：32位平台，一次性只能读取四个字节的数据；

structS{char a;int i;};

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一起。

结构体传参

structS{int data[1000];int num;};structS s ={{1,2,3,4},1000};//结构体传参voidprint1(structS s){printf("%d\n", s.num);}//结构体地址传参voidprint2(structS* ps){printf("%d\n", ps->num);}intmain(){print1(s);//传结构体print2(&s);//传地址return0;}

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，首选传结构体的地址。

位段

结构体的基础知识讲完了，我们就来谈谈结构的位段；

什么是位段？

1、位段与结构体的声明是类似的，但是位段的成员必须是int、unsigned int、signedint、char；
2、位段的成员名后面有一个“ : ”和一个数字，以" ； "结尾；
3、访问的方式与结构体一样（可以通过点操作符和箭头操作符）；
4、位段不存在内存对齐；

具体实例：

structA{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;};

首先我们来解析一下，这个位段的位是什么意思，以及" : "后面的数字代表什么意思？
首先，位嘛，就是比特位的那个位，而冒号后面的数字，就表示这个变量要占用几个比特位；比如上面结构体中，int _a:2;就表示成员变量_a只需要使用2个比特位就够了，不在需要一个int的大小；

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 （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。 4、不建议int和char混用

在讨论位段的内存分配之前，我们先来算一个位段的大小：

structS{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;};

我们可以看到该结构只占3个字节，其实按照我们之前的理论我们可以得出相应的结论；
是char类型的位段；
编译器一上来先开辟1个字节，给你用，用完了无，我在给你开辟；
然后a说我要3个比特位，还剩下5个比特位；
b说我要4个比特位，还剩下1个比特位；
c说我要5个比特位，这时候只剩下一个1特位，不够啊，那我再给你开辟一个字节；嗯，现在空间够了，但是我们现在面临一个选择的问题，就是上一次剩下的那个字节，我到底是用还是不用？这个问题C语言并没有做出明确规定，是由编译器决定的，这是位段可移植性差的一个点，再VS2019中，编译器是不用的（博主用的VS2019），那我们现在假设不用那么我在新开的一个字节中用了5个比特位，还剩下3比特位；
d说，我要4比特位，不够啊，编译器在开一个字节，这时就够了，总体来说，编译器一共就开辟了3个字节，因此，我们sizeof算出来的就是3字节；

深入剖析位段“存”数据

我们刚才讨论了位段的空间大小，现在让我们更进一步去研究一下，位段是怎么存数据的；

还是以上述位段为例：
测试代码：

structS{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;};structS s ={0};
s.a =10;
s.b =12;
s.c =3;
s.d =4;

首先，我们直到S会占3字节，我们把这3个字节全部用0初始化：
则这3个字节的每个位里面放的都是0；
现在，我们将10的放进去：
10
补码：00000000000000000000000000001010
我们只存3位进去，也就是只有后3位，010，

但是现在我们面临一个问题选择问题？
我们是从左边还是右边来使用这一个字节？这是不确定的，C语言没有明确规定，完全取决于编译器，因此这是位段可移植性差的一个点；
我们假设是从右边开始存的，那么该字节内容就变为了：

然后我们再来看b，b=12
12：
补码：
00000000000000000000000000001100，我们只存4位进去，也就是（1100）；更新一下第一字节里面的内容；

现在s.c=3；
3的补码：00000000000000000000000000000011
我们要存5个比特位进去（00011），现在不够了，我们在开辟一个字节，

但是现在我们又面临一个选择的问题，我们用绿色线圈起来的那个位，我们到底用不用？还是直接从新的字节开始？对于这样的问题C语言没有做出明确规定，用还是不用这个问题却决于编译器，这也是位段可移植性差的又一个原因；现在我们接着假设，这个比特位咱们不用，那么我们新的内容就是：

接着s.d=4；
4的补码：00000000000000000000000000000100
我们只存4比特位进去（0100），不够啊，我们再开一个字节：


我们来算一下这3个字节对应的16进制：62 03 04
我们看到的就应该是这样的，我们来验证一下：

我们可以看到的确是这样，那说明我们之前的假设刚好假设正确；事实上这是VS2019对于位段的处理方法；

位段的“取”

既然我们利用位段存了数据，我们得取出来啊？不然我们存进去了，取不出来，有啥用啊；
根据我们刚才存进去的样子：

我们以%d打印s.a那么a实际存的是010，最高位为0，我们会发生整型提升，提升成int类型：
既printf实际打印的是
00000000000000000000000000000010
原码就是2；

我们再来看b，b里面实际存的是1100，%d打印发生整型提升：
11111111111111111111111111111100%d打印，符号位为1，为负数
1000000000000000000000000011
1000000000000000000000000100
也就是-4；

如果是%u打印，就是直接打印：11111111111111111111111111111100
也就是一个很大的数：

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。 (对于一个int位段的的位段，我们一次性会开辟4字节，但是这4字节的最高位会不会北当成符号位，是不确定的，是由编译器决定的)
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。 比如：

structS{int a:2;int b:20;int C:30;}

在32位平台下，int占4个字节，但是在早期16位平台下int占2个字节，我们如果要给b分给20比特位，在32位平台下没问题，但是在16位平台下就跑不过去了；
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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

位段的应用

位段的最大优点就在于可以最大限度的节省空间，就比如，对于一些数据来说，我们只需要4比特位来存储就够了，就没必要开辟一个int来存，这样大大节省了空间！！！