本文主要是介绍【C语言】结构体（及位段），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
你好！感谢支持孔乙己的新作，本文就结构体与大家分析我的思路。
希望能大佬们多多纠正及支持 ！！！
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目录
1. 声明结构体
1.1. 结构体的声明
1.2. 结构体变量的创建与初始化
1.3. 结构体的特殊声明
1.4. 结构体的自引用
2. 结构体内存对齐
2.1. 对齐规则
2.1.1. 常规内存对齐
2.1.2. 嵌套结构体内存对齐
2.2. 为什么存在结构体对齐
2.2.1. 平台原因（移植原因）
2.2.2. 性能原因
2.2.3. 改善方法
2.3. 修改默认对齐数
3. 结构体实现传参
4 . 位段
4.1. 什么是位段
4.2. 位段的内存分配
4.3. 位段的跨平台问题
4.4. 位段的应用
4.5. 位段注意事项
1. 声明结构体
Leading ~~ 结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，它可以包含多个不同数据类型的成员变量，这些成员变量可以根据需要进行组合，形成一个新的数据类型。结构体可以用来表示现实世界中的复杂数据结构，比如表示一个学生或者一辆车的信息等。
1.1. 结构体的声明
例如，描述一个学生的信息：
struct student
{char name[20];//姓名int age;//年龄char sex[9];//性别char number[20];//学号}; 其中，包含学生的姓名、年龄、性别、学号这些字符数组，整形数据等等不同数据类型的成员变量。
1.2. 结构体变量的创建与初始化
创建结构体变量，对其进行初始化，可以依次进行赋值（输入数据），也可以使用“ . +成员变量名 ”来指定顺序赋值（输入数据 ）。
#include <stdio.h>
struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
};
int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "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struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .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);return 0;
}1.3. 结构体的特殊声明
在声明结构体的时候，可以不完全的声明。当然，这样声明的结构体只能在创建的时候对其 进行赋值（输入数据）。
//创建匿名结构体变量
struct {char name[20];int age;double height;
} S = { "李四", 23, 1.82 };
如果要再次使用，必须要对结构体类型重命名（使用typedef对其重命名），如下：
//对匿名结构体重命名
typedef struct Stu
{char name[20];int age;double height;
}Stu;
1.4. 结构体的自引用
struct Node
{int data;struct Node next;
};究其根本，其实是行不通的，毕竟在一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，内存就会 变得无穷大，我们可以采取指针的方式进行自引用，如下：
struct Node
{int data;struct Node* next;
};typedef struct
{int data;Node* next;
} Node;typedef struct Node
{int data;struct Node* next;
} Node;
2. 结构体内存对齐
2.1. 对齐规则
首先，我们来了解一下结构体内存对齐规则，如下：
| 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。 |
| 2. 其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处。 |
|
|
|
| 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）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）的整数倍。 |
我们通过一些例题具体分析结构体对齐的场景，如下：
2.1.1. 常规内存对齐
struct s1
{char c1;int i;char c2;
}; 在s1结构体中，有char类型的c1，int类型的i以及char类型的c2，如果仅仅从类型字节大小来说，这里应该占用1+4+1=6（字节），但由于结构体中存在内存对齐，结果却是12（字节）。
究其原因， 我们分析一下这些变量在内存中的排布情况：
首先，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,所以我们将char （绿色区块）放在起始位置偏移量为0的地址。对于int i （占用4个字节）要对齐到对齐数的整数倍（VS中默认对齐数是8，int是4，因此对齐数取4）的地址处，也就是偏移量为4的地址处，因此前3个字节将会被浪费。紧接着char c2（黄色区块）默认对齐数是1，又根据“ 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”，也就是4的整数倍（12），因此也会损耗3个字节空间。
2.1.2. 嵌套结构体内存对齐
根据上述结果推算出struct S3在内存中占用16个字节，将其嵌套在struct S4中结果会是多少呢
struct S3
{double d;char c;int i;
};struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
int main() {//printf("%d\n", sizeof(struct S3));printf("%zd\n", sizeof(struct S4));return 0;
}这里我们就要注意对齐的最后一条规则：
| 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）的整数倍。 |
从上述源码中，不难看出嵌套结构体成员（struct S3）的最大对齐数就是8，以及S4中最大对齐数也是8，因此结构体（struct S4）的大小就8的整数倍，从内存排列情况如下：
结果，无疑就是占用32个字节 ！ ！！
2.2. 为什么存在结构体对齐
2.2.1. 平台原因（移植原因）
毕竟，不是所有硬件平台都能访问任意地址上的任意数据，对于某些硬件平台只能在某些地址处取某些特特定类型的数据，否则会发生硬件异常。
2.2.2. 性能原因
数据结构（尤其是栈）应该尽可能在自然边界对齐。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；而对齐的内存仅需要一次访问。假如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。假如我们能保证所有的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。
2.2.3. 改善方法
我们在设计结构体的时候，我们既需要满足对齐，又要节省空间，因此，我们可以在创建结构体的时候，让占用空间小的成员集中在一起，如下：
struct S1
{char c;int i;char b;
};
struct S1
{char b;char c;int i;
}; 
在这两组数据中，我们可以发现，他们的成员变量是一致的，但由于在创建时先后顺序不一致，致使他们在内存中存储情况不相同。
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;
}
3. 结构体实现传参
我们在传入参数的时候，有两种形式，一种是“传值输入”，另一种是“传址输入”。
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(const struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}通过实践说明 ，print2相对于print1，会更加优越，原因如下：
| 1. 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 |
| 2 . 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 |
总而言之， 结构体传参的时候，我们要传递结构体的地址。
4 . 位段
4.1. 什么是位段
我们可以定义一个结构体中的字段使用的位数(bit位)。这样可以在存储数据时更加灵活和节省空间。接着我们分析一下位段与结构体的一些差异，如下：
| 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 |
struct A
{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};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。 |
#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;printf("%zd", sizeof(struct S ));return 0;
}
相对比结构体而言，位段有效地节省了空间大小 ,接下来，我们观察位段在内存中的具体情况
4.3. 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位机器上最大32） |
| 3 . 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是反之，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，无法容纳第一个位段剩余的位时 |
| 是选择舍弃还是继续利用，也是不确定的 |
4.4. 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。
4.5. 位段注意事项
因为位段中的成员变量有可能在同一个字节上，因此有些成员的起始地址并不是某个字节的地址，那么这些位置其实就是没有地址的，再者说，内存中每个字节分配一个地址，故而一个字节内部的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//正确的⽰范int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}
这篇关于【C语言】结构体（及位段）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！
