C语言自定义类型结构体与位段超详解
文章目录
- 1. 结构体类型的声明
- 1. 1 结构体声明
- 1. 2 结构体变量的创建和初始化
- 1. 3 结构体的特殊声明
- 1. 3 结构体的自引用
- 2. 结构体内存对齐
- 2. 1 对齐规则
- 2. 2 为什么存在内存对齐
- 2. 3 修改默认对齐数
- 3. 结构体传参
- 4. 结构体实现位段
- 4. 1 什么是位段
- 4. 2 位段成员的内存分配
- 4. 3 位段的跨平台问题
- 4. 4 位段的使用
- 4. 5 位段使用的注意事项
1. 结构体类型的声明
1. 1 结构体声明
格式如下:
struct tag
{member - list;//结构成员,可以不止一个
}variable - list;//在这里可以直接创建结构体变量,可以用逗号隔开来创建多个,不能初始化
例如描述一个学生:
struct student //这个结构体的名称
{ //以下是结构成员char name[20]; //姓名char sex[5]; //性别int age; //年龄char id[10]; //学号
}A, B; //声明结构体时创建了学生A和B,注意分号不能丢
进行声明时,还可以使用 typedef 进行重命名:
typedef struct student
{char name[20];char sex[5];int age;char id[10];
}ST;//之后创建结构体变量时,就可以将 ST 作为类型使用了,注意这样就无法在声明结构体时创建变量了
1. 2 结构体变量的创建和初始化
除了在声明时创建变量,还可以像创建int
等其他变量一样创建并初始化结构体变量。
#include<stdio.h>struct student
{char name[20];char sex[5];int age;char id[10];
}A, B;void Print(struct student S)
{printf("%s %s %d %s\n", S.name, S.sex, S.age, S.id);
}int main()
{ //按照定义顺序初始化struct student s1 = { "张三","man",15,"122111" };Print(s1);//按照指定顺序初始化struct student s2 = { .age = 18,.id = "454541",.name = "fhvyxyci",.sex = "man" };Print(s2);return 0;
}
1. 3 结构体的特殊声明
//匿名结构体变量
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。
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;
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(使用 typedef )重命名的话,基本上只能使用一次。
1. 3 结构体的自引用
1. 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?
比如,定义一个链表(一种数据结构)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;//这里放上一个指针,就合理多了
};
2. 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:定义结构体不要使用匿名结构体。
typedef struct Node
{int data;struct Node* next;//这里要使用没有重命名的名字
}Node;
2. 结构体内存对齐
2. 1 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
- 其他成员变量要对产到某个数字(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 该成员变量大小的最大值的较小值。
VS 中默认的值为 8
Linux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)的整数倍。
来做几个练习巩固一下:
练习一:
#include<stdio.h>
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));return 0;
}
首先 c1
:根据对齐规则1,c1
占1
个字节,和结构体处于同一个地址。
然后 i
:根据对齐规则2,i
需要对齐到相对结构体地址的偏移量为4的位置,所以i
的起始地址相对结构体是4
,目前结构体大小为8
。
然后c2:占一个字节,结构体大小直接+1
(任何偏移量都是1的倍数,所以不需要额外偏移)。
最后,根据对齐规则3, 对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 (以VS为例,8)与 该成员变量大小的最大值的较小值,这里显然对齐数是4
,因此9的下一个对齐数的倍数是12
,所以结构体的大小是12。
图解:
输出结果:
代码二:
#include<stdio.h>struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S2));return 0;
}
c1
不比多说,来看c2
:char
类型的大小是1,任何偏移量都一定是1的倍数,所以到了c2
,结构体的大小是2。
接着看i
:int
变量的大小是4,2后面的最小的4的倍数是4,所以此时结构体的大小是8。
最后对齐数也是4,所以结构体的大小就是8。
图解:
输出结果:
代码三:
#include<stdio.h>struct S3
{double d;char c;int i;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S3));return 0;
}
首先d
:double
类型为8个字节。
然后c
:结构体大小+1。
然后i
:9后面第一个4的倍数是12,所以从12开始向后+4。
最后对齐数:对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 (8)与 该成员变量最大值的较小值(8),所以对齐数是8,最终大小就是16。
图解:
运行结果:
;练习四:
//结构体嵌套问题
#include<stdio.h>
struct S3
{double d;char c;int i;
};struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S4));return 0;
}
c1
不再赘述,来看这个 s3
:
s3的对齐数是8,所以s3
的偏移量为8,上面我们已经算出了S3的大小是16,所以现在S4
的大小是24。
因为24是8的倍数,所以d
就再向后找8个地址,是32。
S4
的偏移量是S4
中所有除了S3
以外的元素和S3
的所有成员的大小中的最大值与默认对齐数8之间的较小值,是8,所以S4
的大小是32。
图解:
输出结果:
2. 2 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: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。
例如:
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
经过上面的计算,你会发现虽然这两个结构体的成员一样,但是大小却差的很多。
2. 3 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。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数,还原为默认
int main()
{//输出的结果是什么?printf("%zd\n", sizeof(struct S));return 0;
}
结果是6:
说明对齐数是在结构体声明时计算的,而不是调用时。
尽管使用场景可能比较少,但是在对齐方式不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。
3. 结构体传参
#include<stdio.h>
struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
//结构体传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}
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(可以理解为拷贝实参到形参),会有时间和空间上的系统开销。
传递一个结构体对象,结构体过大,参数压栈的的系统开销就大,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。
4. 结构体实现位段
4. 1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的,但是有两个不同:
- 位段的成员必须是
int
、unsigned int
或signed int
(在C99中位段成员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。
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?
是8。
我们来了解一下。
4. 2 位段成员的内存分配
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(比如上一行),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
#include<stdio.h>
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;//空间是如何开辟的?return 0;
}
在VS上是这样开辟的:每个字节从右向左使用,如果下一个位段成员比较大,就舍弃该字节中剩下的比特位去开辟新的字节。
那么上面的那个8字节也就很好分析出来了。
4. 3 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。
4. 4 位段的使用
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比特位就能描述,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。
4. 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,一个字节内部的比特位是没有地址的。
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,只能先输入放在一个变量中,然后赋值给位段的成员。
#include<stdio.h>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;
}
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