【C语言】-自定义类型：结构体

个人主页深邃-❄️专栏传送门《C语言》《数据结构》Gitee仓库《C语言》《数据结构》目录结构体类型的声明结构体回顾​结构的声明​结构体变量的创建和初始化结构的特殊声明匿名结构体类型结构的自引用结构体内存对齐​对齐规则为什么存在内存对齐​修改默认对齐数结构体传参​结构体实现位段什么是位段​位段的内存分配​位段的跨平台问题​位段的应用位段使用的注意事项​位段内存计算练习结构体类型的声明前面我们在学习操作符的时候,已经学习了结构体的知识,这里稍微复习一下结构体回顾​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​structStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};//分号不能丢结构体变量的创建和初始化#includestdio.hstructStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};intmain(){//按照结构体成员的顺序初始化structStus{张三,20,男,20230818001};printf(name: %s\n,s.name);printf(age : %d\n,s.age);printf(sex : %s\n,s.sex);printf(id : %s\n,s.id);//按照指定的顺序初始化structStus2{.age18,.namelisi,.id20230818002,.sex⼥};printf(name: %s\n,s2.name);printf(age : %d\n,s2.age);printf(sex : %s\n,s2.sex);printf(id : %s\n,s2.id);return0;}结构的特殊声明匿名结构体类型在声明结构的时候可以不完全的声明 在声明结构的时候可以不完全的声明在声明结构的时候可以不完全的声明匿名结构体类型 - 只能使用一次后期不能使用这个类型再创建变量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//匿名结构体类型 - 只能使用一次后期不能使用这个类型再创建变量struct{inta;charb;floatc;}x,y,z;//struct{inta;charb;floatc;}*ps;intmain(){psx;//编译器报错return0;}对结构体 t y p e d e f 对结构体typedef对结构体typedeftypedefstruct{inta;charb;floatc;}S;//struct S //其实极为类似//{// int a;// char b;// float c;//};structStus5,s6;//全局变量intmain(){S s1;S s2;return0;}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 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢structNode{intdata;structNodenext;};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 : 正确的自引用方式:正确的自引用方式://正确的写法typedefstructNode{intdata;structNode*next;}Node;在结构体自引用使用的过程中夹杂了 t y p e d e f 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 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typedefstruct{intdata;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typedefstructNode{intdata;structNode*next;}Node;结构体内存对齐​我们已经掌握了结构体的基本使用了现在我们深入讨论一个问题计算结构体的大小这也是一个特别热门的考点结构体内存对齐对齐规则结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为 0 的地址处​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变量大小的较小值VS 中默认的值为 8Linux 中 gcc 没有默认对齐数对齐数就是成员自身的大小​结构体总大小为最大对齐数(结构体中每个成员变量都有一个对齐数所有对齐数中最大的) 的整数倍如果嵌套了结构体的情况嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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 (含嵌套结构体中成员的对齐数—嵌套结构体的对齐数即为成员最大对其数) 的整数倍如果成员是数组那么是按照数组元素类型的对齐数与编译器默认的对齐数的最小值注意也不是整个数组与上一个类似为什么存在内存对齐​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齐成 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 总体来说总体来说结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法CPU 读取内存时喜欢 “按自己的字长整块读”不喜欢跨块读。举个最通俗的例子32 位 CPU一次读 4 字节64 位 CPU一次读 8 字节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:比如先小后大的写结构体成员//例如structS1{charc1;//1inti;//4charc2;//1};//13419 - 12structS2{charc1;charc2;inti;};//11248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齐数//设置的一般都是2的次方数#includestdio.h#pragmapack(1)//设置默认对⻬数为1structS{charc1;inti;charc2;};#pragmapack()//取消设置的对⻬数还原为默认intmain(){//输出的结果是什么printf(%d\n,sizeof(structS));return0;}设置的一般都是2的次方数那我为啥不直接把对齐值全改成 1这样最省空间偏移对齐 为了 CPU 读取快、不崩溃强行改成 1 字节对齐 能省空间但可能崩、变慢、不可移植结构体传参​structS{intdata[1000];intnum;};structSs{{1,2,3,4},1000};//结构体传参voidprint1(structSs){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要传结构体的地址结构体实现位段结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力什么是位段​位段的声明和结构是类似的有两个不同:位段的成员必须是 intunsigned int 或 signed int , 在 C99 中位段成员的类型也可以选择其他类型位段的成员名后边有一个冒号和一个数字structA{int_a:2;int_b:5;int_c:10;int_d:30;};位段的内存分配​位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型​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//⼀个例⼦structS{chara:3;charb:4;charc:5;chard:4;};structSs{0};s.a10;s.b12;s.c3;s.d4;//空间是如何开辟的注意虽然结构体压栈是从高地址向低地址压栈但是压栈后的空间是按照先定义的成员为压栈空间中的低地址后定义成员为高地址一个字节(整型)的内存中到底是从左向右使用还是从右向左使用不确定假设从右向左使用vs上正确剩余的空间不能满足下一个成员的时候是否浪费不确定假设浪费vs上正确位段的跨平台问题​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 位机器最大 16,32 位机器最大 32, 写成 27, 在 16 位机器会出问题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structA{int_a:2;int_b:5;int_c:10;int_d:30;};intmain(){structAsa{0};scanf(%d,sa._b);//这是错误的//正确的⽰范intb0;scanf(%d,b);sa._bb;return0;}位段内存计算练习structTest4{chara:3;//3bit 对齐数1intb:20;//20bit以int为单元(4字节) 对齐数4shortc;//普通short2字节 对齐数2chard:5;//5bit 对齐数1doublee;//普通double8字节 对齐数8};1.排a:3:char单元1字节剩5bit。2.排b:20:int单元要求4字节对齐当前地址0x01不是4的倍数补3字节新开1个int单元(4字节)存b:20剩12bit。累计:1348字节。3.排shortc:short要求2字节对齐当前地址0x08是2的倍数直接存放占2字节-累计10字节。4.排d:5:char单元1字节直接存放占1字节-累计11字节。5.排double e:double要求8字节对齐当前地址0x0B不是8的倍数补5字节存放e占8字节-累计115824字节。6.整体对齐:最大成员是double(8字节)24是8的倍数无需补位。最终大小:24字节