【C语言】自定义类型：结构体（建议收藏！！！）

结构体

• • • 前言
    • 1、什么是结构体
    • 2、结构体类型的声明
    • 3、结构体变量的创建和初始化
    • 4、结构成员访问操作符
    • 5、结构体内存对齐
    • 6、存在内存对齐的原因
    • 7、结构体传参
    • 8、结构体实现位段

前言

我们已经学了很多数据类型，列如int, char, float, double等。但还不能满足需求，在我们实际应用中，每一种变量进行一次声明，再结合起来显然是复杂的，列如一位学生的信息管理，他可能有，性别 （char），姓名（char），学号（int）成绩（float）等多种数据。如果把这些数据分别单独定义，就会特别松散、复杂，难以规划，因此我们需要把一些相关的变量组合起来，以一个整体形式对对象进行描述，因此我们需要自定义一种类型来规划它们，于是就有了结构体类型。

1、什么是结构体

结构体就是把多种类型组合起来的集合体。多种类型可以是int, float,char,指针等。可以想一下，数组是相同类型的多个元素组成的集合；而结构体是多种类型组成的集合。两者有区别，不可混淆。

2、结构体类型的声明

形式：

struct 类型名
{
		结构体成员列表；
}

如：定义一个学生类型的结构体

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	char sex[5];//性别
	int age;//年龄
	char id[20];//身份证
};

这段代码就完成了结构体的声明。

3、结构体变量的创建和初始化

结构体变量创建
方式一：在声明结构体的同时创建变量。

struct Stu
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[20];
}s1;

这里创建了学生类型的结构体变量s1。
方式二：struct Stu s1;

struct Stu
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[20];
};

int main()
{
	struct Stu s1;//结构体变量创建
	return 0;
}

结构体的初始化
结构体初始化有两种方式，看如下代码：

//结构体声明
struct Stu
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[20];
};
int main()
{
	//顺序初始化
	struct Stu s1 = { "小敏", "女", 18, "202413230" };
	//指定顺序初始化
	struct Stu s2 = { .age = 20, .id = "202413232", .name = "晓东", "男" };
	return 0;
}

4、结构成员访问操作符

有两种，分别是：" . “成员操作符和”->"成员操作符

struct Stu
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	char id[20];
};
int main()
{
	//顺序初始化
	struct Stu s1 = { "小敏", "女", 18, "202413230" };
	//.操作符访问
	printf("name:%s\n", s1.name);
	printf("sex:%s\n", s1.sex);
	printf("age:%d\n", s1.age);
	printf("id:%s\n", s1.id);
	//指定顺序初始化
	struct Stu s2 = { .age = 20, .id = "202413232", .name = "晓东", "男" };
	//->操作符访问
	struct Stu* p = &s2;
	printf("name:%s\n", p->name);
	printf("sex:%s\n", p->sex);
	printf("age:%d\n", p->age);
	printf("id:%s\n", p->id);
	return 0;
}

5、结构体内存对齐

对齐规则：

1. 结构体的大小一定是最大成员的整数倍。
2. 成员的偏移量一定是当前成员的整数倍。
3. . 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。

代码展示：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	int i;
	char c1;
	char c2;
};
struct S3
{
	double d;
	char c1;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//输出12
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//输出8
	printf("%zd\n", sizeof(struct S3));//输出16
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));//输出32
	return 0;
}

6、存在内存对齐的原因

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。

简单来说，结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。以此来提高效率。

所以设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间。方法：让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起。
代码展示：

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
struct S2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//8
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//12
	return 0;
}

结构体S1和S2类型的成员都一样，但是S1占的空间小于S2，这就是让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起的效果。

7、结构体传参

传参方式：

• 结构体传参（类似传值方式）
• 结构体地址传参
  看如下代码：判断那种传参方式更好

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4},100 };
struct S* ps = &s;
//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);
	print2(ps);
	return 0;
}

输出结果：

答案是：print2函数更好
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。总之，结构体传参的时候，要传结构体的地址。

8、结构体实现位段

位段定义： 位段是C语言中结构体的一种数据类型。位段允许在结构体中定义具有指定位数的成员，这些成员可以占用结构体变量内部的连续比特位。位段的声明和结构体的声明是类似的。位段是基于结构体的，位段的出现就是为了节省空间。

与结构体的两个不同点：

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。这个数字代表了该成员变量在结构体内占用的bit位数。它用来限定成员变量的范围和存储空间。

位段中的位指的是二进制位（bit位），如下面的_a成员变量就占两个比特位，_b成员变量就占5个比特位。
列如：A就是一个位段。

//位段声明
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
//结构体声明
struct B
{
	int _a;
	int _b;
	int _c;
	int _d;
};
int main()
{
	printf("位段A大小=%zd\n", sizeof(struct A));//8
	printf("结构体B大小=%zd\n", sizeof(struct B));//16
	return 0;
}

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。

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：
位段的一些成员可能共同占用⼀个字节，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。

代码展示：

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 15;
	int _c : 10;
	int _d : 32;
};
int main()
{
	struct A s = { 0 };
	//错误
	/*scanf("%d", &b);*/
	
	//正确做法
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	s._b = b;
	printf("%d", s._b);
	return 0;
}

总结：
这一章我们学习结构体的声明，变量的创建和初始化，成语访问操作符，传参，内存对齐，位段。后面两个是难点。相信大家都学会了吧！

那么写到这里，本节内容就结束了，这篇博客花费了很长时间，但写完有满满的成就感，希望能帮助到大家，如果文章有不足的地方，欢迎在评论区留言指正，我们一起学习交流！ 希望能得到大家的关注、点赞、评论、收藏！ 你的支持是我最大的动力！！