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【C语言】 结构体与位段

时间：2024-09-15 22:51:23浏览次数：11  
标签：char struct int 成员 C语言 位段 结构

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C 结构体与位段

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

本文首先介绍了C语言自定义类型中的结构体，并着重讲解了结构体占用内存大小的分析方法。此外，本文还介绍了结构体的位段及其应用。

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、结构体的定义与声明

1.结构体的定义

结构体是C语言中的一种自定义类型，它是同一变量名下一组元素的集合，这些元素（被称为结构的成员）可以有不同的数据类型和长度。

2.结构体类型的声明

结构的声明

代码如下：

struct Stu
{
int id;
int age;
char name[];
}; //分号不能丢

结构体变量的创建和初始化

代码如下：

#include <stdio.h>
struct Stu
{
 char name[20];//名字
 int age;//年龄
 char sex[5];//性别
 char id[20];//学号
};//先声明结构体

int main()
{
//按照结构体定义中成员的顺序初始化变量
struct Stu s = {"张三",31,"男","1120232967"};
 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
struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "⼥
 printf("name: %s\n", s2.name);//用成员访问运算符（.）来访问具体成员并赋值
 printf("age : %d\n", s2.age);
 printf("sex : %s\n", s2.sex);
 printf("id : %s\n", s2.id);
 return 0;

3.结构的特殊声明

代码如下：

struct//此处缺失了结构体的命名
{
	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（tag）。 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;

警告：
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。

4.结构的自引用

在结构体中，我们是否可以包含一个类型为结构体本身的成员？
比如，定义一个链表的节点：

struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};

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。

但这并不意味着结构体无法自引用，正确的⾃引⽤⽅式：

struct Node
{
int data;
struct Node *next;
};

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？

typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;

答案是不行。因为Node是对匿名结构体的重命名，而在Node命名之前，即在结构体内部是无法提前使用Node类型创建成员变量的。
解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了

typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;//注意此处仍未提前使用typedef的重命名，而是直接用结构体的类名定义
}Node;

二、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。 你或许会疑惑：
“计算出每个成员的大小加起来不就是结构体的大小了吗？”

事实并非如此。
这需要我们熟悉另一个概念：结构体内存对⻬。

1.对齐规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

  1. 结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
  2. 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
  3. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍。
  4. 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。

对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数 与 该成员变量⼤⼩的较⼩值。

  • VS 中默认的值为 8
  • Linux中 gcc 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩

例1

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

根据规则1，

结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

找到结构体的第一个成员为 char 类型，对齐到偏移量为0的地址处（为方便简称 位置0 ，下同），占1个字节。在这里插入图片描述

再根据规则2，

其他成员变量要对⻬到自身对⻬数整数倍的地址处。

由对齐数的计算公式可知，int类型大小为4字节，小于（本文使用的）VS编译器的8字节，因此对齐数为4。

故int变量对齐到位置4，并占据四个字节（4，5，6，7）。注意到位置1,2,3是浪费掉了的。
在这里插入图片描述

同理char c2占据到位置8。这样就找到了每个变量相对结构体起始位置的储存位置。
在这里插入图片描述

接下来计算整个结构体类型的大小。

根据规则3，

结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍。

可知整个结构体中最大的对齐数为int类型的对齐数“4”，因此要给结构体成员（已占据9个字节）足够空间的同时满足规则3，结构体的大小应该为4 * 3 = 12字节。自行运行printf()可以验证结果。


例2

struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

S2结构体包含的成员类型和个数与S1均相同，可大小却不同。根据内存对齐的规则，S2大小应为8字节。

例3

struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

double类型大小为8字节，因此对齐数为8。8 + 4 + 4 = 16字节，刚好是8的整数倍，因此结构体大小为16字节。
在这里插入图片描述

例4

//S3同例3
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

根据规则4，

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。

在这里插入图片描述
大小为32字节。

为什么存在内存对齐？

  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。
    总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到呢：

“让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起”

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};

struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

/

S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。

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⻬数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S {
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
 //输出的结果是什么？
 printf("%d\n", sizeof(struct S));
 return 0; }

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

三、结构体传参

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，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。
  • 如果传递地址，则无论结构体对象多大，只需要传递8个字节（64位机）。

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 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。
  • 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;
};
printf("%d\n", sizeof(struct A));

A就是一个位段。
那么A所占的内存大小是多少呢？（打印结果为8字节）

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。
//⼀个例⼦
struct S {
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

在这里插入图片描述

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。
  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。
  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，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。
在这里插入图片描述

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。

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，不能通过取地址来赋值
 
 //正确的⽰范
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;//通过变量b间接赋值
 return 0; 
 }

总结

以上就是今天要讲的内容，本文简单介绍了结构体的定义、创建和初始化，同时介绍了结构体的对齐和位段。

标签：char,struct,int,成员,C语言,位段,结构
From： https://blog.csdn.net/2401_82424063/article/details/142286997

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