C语言结构体的相关知识详解（理论+代码+画图分析=秒懂） |
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C语言结构体的相关知识详解（理论+代码+画图分析=秒懂）
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前言：C语言虽然已经提供了很多内置类型：比如：int、char、short、long、float、double等等，但是这些类型并不能满足一些特殊场景的需求，比如，我想描述一个人的特征，需要名字、年龄、性别、身高、体重等；描述一部手机，需要型号、内存、颜色、价格、配置、品牌等；描述一瓶水，需要品牌、价格、容量等。为此C语言专门提供结构体这种自定义的数据，可以让程序员自己创造所需的数据类型。 1.结构体结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构中的每个成员可以是不同的数据类型，如：数组、指针、甚至是其他的结构体。 1.1 结构体声明 struct test { member_list; }variable-list;描述一个人： struct Stduent { char name[20];//姓名 int age;//年龄 char sex[4];//性别 int height;//身高 int weight;//体重 };//注意带上分号 1.2 结构体变量如何定义和初始化写法有三种： //代码1：变量的定义 struct Test { char a; char b; }t1;//声明类型的同时定义变量t1 struct Test t2;//定义结构体变量t2 //代码2：对变量初始化 struct Test t3 = { 'h','o' }; struct Phone //类型声明 { char brand[20];//品牌 int capacity;//内存容量 }; struct Phone p1 = { "华为",256};//常见初始化 struct Phone p2 = { .capacity = 256,.brand = "小米" };//指定顺序的初始化 //代码3 struct Node { int data; struct Test t; struct Node* next;//结构体体嵌套初始化 }n = { 10,{'h','y'},NULL}; struct Node nn = { 100,{'z','g'},NULL };//结构体嵌套初始化 2.结构成员访问操作符 2.1 （.）- 结构体成员的直接访问对结构体成员直接访问使用点（.）操作符。点操作符接受两个操作数。例如： #include struct Water { char brand[20];//品牌 int capacity;//容量 int price;//价格 }; int main() { struct Water w = { "娃哈哈",596,1.5 }; printf("%s %dml %d元\n", w.brand, w.capacity, w.price); return 0; }【运行结果】
使用方式：结构体变量.成员名 2.2 结构体成员的间接访问有时候我们会使用指向结构体指针进行操作。这时就要使用这种箭头（->）操作符。如： #include struct Test { int a; int b; }; int main() { struct Test t = { 2,6 }; struct Test* pt = &t; pt->a = 3; pt->b = 9; printf("a = %d, b = %d\n", pt->a, pt->b); return 0; }【运行结果】
使用方式：结构体指针->成员名 综合使用如下： #include #include struct Person { char name[20];//姓名 int age;//年龄 }; void PrintPs(struct Person p) { printf("%s %d\n", p.name, p.age); } void set_ps(struct Person* ps) { strcpy(ps->name, "王五"); ps->age = 24; } int main() { struct Person p = { "赵六",18 }; PrintPs(p); set_ps(&p); PrintPs(p); return 0; }【运行结果】
在声明结构体的时，可以不完全声明。 如： //匿名结构体类型 struct { int n; char c; float f; }; struct { int n; char c; float f; }n[10],*s;可以看到上面两个结构体在在声明的时候，并没有给它类型（省略了结构体标签（tag））. 留意：如果在此基础上，这样写代码是非法的！！ s = &m;//非法 注意： 编译器会把将上述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，如果没有对结构体类型重命名的化，基本上只能使用一次。 2.4 结构体的自引用结构体中可以包含一个类型为该结构本身的成员吗？ 例如，定义一个链表的节点： struct Node { int date; struct Node n; };上面代码是正确吗？若是，那么 sizeof(struct Node)会是多少呢？ 可以分析得出，这种写法是不行的，原因是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 -- 不合理！ 正确的自引用写法，如下： struct Node { int date; struct Node* next; };当使用的typedef匿名结构体类型重命名和结构体自引用遇上时，也容易出现一些问题。比如： typedef struct { int data; Node* next; }Node;注意：这种写法是不可行的，原因是Node是对前面的匿名结构体类型重命名产生的。所以在匿名结构体中提前使用Node类型来创建成员变量，是不可以的。 匿名的结构体类型是不能实现这种结构体自引用的效果的！！！ 如何解决这个问题呢？ --- 定义结构体时不要使用匿名结构体定义。 typedef struct Node { int data; struct Node* next; }Node; 3.结构体内存对齐我们前面已经学习了结构体的基本使用。现在学习一个新的知识点 -- 结构体内存对齐 学习计算结构体的大小。 3.1 对齐规则掌握结构体的对齐规则： 1.结构体的第一个成员对齐到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 中默认的对齐数是 8 ； -Linux 中 gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。 3.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数）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齐到自己的成员的最大对齐数的整数倍地址处，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。 分析下面结构体的大小： 小练1： #include struct T1 { char c1; int i; char c2; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct T1)); return 0; }详解：
【运行结果】：
小练2： #include struct T2 { char c1; char c2; int i; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct T2)); return 0; }详解：
【运行结果】
小练3： #include struct T3 { double d; char c; int i; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct T3)); return 0; }详解：
【运行结果】
小练4： #include struct T3 { double d; char c; int i; }; //练习4 - 结构体嵌套问题 struct T4 { char c1; struct T3 t3; double d; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct T4)); return 0; }详解：
【运行结果】
主要原因 - 性能原因： 数据结构（特别是栈）应该尽量的在自然边界对齐。原因是为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存只需一次访问，便可读取全部。假设一个处理器总是从内存中访问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到8的整数倍上，那么就可以用一个内存操作来读或值，否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为一个对象，可能被存放在两个8字节内存块中。 总结：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。 如果在设计结构体的时，既要内存对齐，又想要节省空间就要：让占用空间小的成员尽量放在一起。 如上述出现过的代码： struct T1 //占用12个字节 { char c1; int i; char c2; }; struct T2 //占用8个字节 { char c1; char c2; int i; };可以看到T1 与 T2成员是一样的，但是所占用的内存大小发生了改变。 3.3 如何修改默认对齐数#pargma 这个预处理指令，它可以改变编译器的默认对齐数。 #include #pragma pack(1) //设置默认对齐数是1 struct T { char c1; int i; char c2; }; #pragma pack()//取消设置的对齐，还原为默认对齐数 int main() { printf("%zd\n", sizeof(struct T)); return 0; }详解：
【运行结果】
结论： 结构体在对齐方式不合适的时候，可以字节修改默认的对齐数。 3.4 结构体传参 #include struct T { int arr[10]; char c; float f; }; //结构体传参 void Print1(struct T pt) { int i = 0; for (i = 0; i < 6; i++) { printf("%d ", pt.arr[i]); } printf("%c ", pt.c); printf("%lf\n", pt.f); } //结构体地址传参 void Print2(struct T* pt) { int i = 0; for (i = 0; i < 6; i++) { printf("%d ", pt->arr[i]); } printf("%c ", pt->c); printf("%lf\n", pt->f); } int main() { struct T t = { {1,2,3,4,5,6},'h',2.98 }; Print1(t);//传结构体方式 Print2(&t);//传地址方式 return 0; }【运行结果】
上述两种传参方式更好？ --- 答案是结构体传地址方式。 原因在于： 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时，结构体过大，参数 压栈的系统开销会比较大，这样会导致程序的性能下降。如果指传递地址过去，地址用指针接收，指针的大小在64位平台下只占8个字节（32位平台下，占4个字节），开销不算太大。 结论：结构体传参时，首选结构体的地址。 4.结构体实现位段结构体是位段存在的基础。 4.1 位段是什么位段的作用和结构体的对齐方式作用是类似的。并且位段的声明和结构也是类似的。有两个不同点： 1.位段的成员必须是int、unsigned int 或 signed int,在C99中位段成员类型可以选择其他类型。 2.位段的成员名后面跟着一个冒号和一个数字。 比如： #include //1.申请到的一块内存中，从左向右使用，还是从右向左使用，是不确定 //2.剩余的空间，不足下一个成员使用的时候，是被浪费掉，还是继续使用是未知的 struct T { int x : 2;//后面的数值是以bit(位)位单位的 int y : 6; int z : 10; int w : 30; }; int main() { printf("%zd\n", sizeof(struct T)); return 0; }【运行结果】
在这里T是一个位段类型。 位段T的内存大小是如何计算的？ 4.2 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1个字节（char）的方式分配的。 3.位段涉及很多不确定因素，并且位段是不支持跨平台的，注重可移植的程序，应避免使用位段。 分析： #include struct T { char a : 3; char b : 4; char c : 5; char d : 4; }; int main() { struct T t = { 0 }; t.a = 10; t.b = 12; t.c = 3; t.d = 4; return 0; }分析：
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是不确定的。（16位机器最大16位，32位机器最大32位，在16机器下写26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，尚未有标准。 4.当一个结构体包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余位时，剩余位是被利用起来，还是丢弃，这还不确定。 总结：跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但有跨平台问题存在。 4.4 位段使用时需要注意的点位段是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是没有地址的。 所以我们不能对位段的成员进行取地址（&），这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只可以放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。 如： #include struct T { int _a : 2; int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; }; int main() { struct T t = { 0 }; scanf("%d", &t._a);//错误写法 //正确写法 int a = 0; scnaf("%d", &a); t._a = a; return 0; }看到这里，结构体的相关知识已经学习完毕，恭喜你又掌握了一个知识点。 |
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