结构体与位段

1.1 结构体

二、结构体内存对齐

前言

C语言中的结构体是一种自定义的数据类型，可以用来表示多个不同类型的数据的集合。结构体是由多个变量组成的，每个变量称为结构体的成员。

使用结构体需要先定义结构体类型，然后可以声明该类型的变量。

定义结构体类型的语法如下：

struct 结构体类型名 {
    成员类型1 成员名1;
    成员类型2 成员名2;
    ...
};

例如，定义一个表示学生的结构体类型：

struct Student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
};

上面的代码定义了一个名为Student的结构体类型，该类型有三个成员：id、name和score。

声明结构体变量的语法如下：

struct 结构体类型名 变量名;

例如，声明一个名为student1的Student结构体变量：

struct Student student1;

可以使用.操作符来访问结构体变量的成员，例如：

student1.id = 1;
strcpy(student1.name, "Tom");
student1.score = 90.5;

上面的代码给student1结构体变量的成员赋值。

结构体变量的初始化可以使用赋值运算符=，例如：

struct Student student2 = {2, "Jerry", 85.5};

上面的代码创建了一个名为student2的Student结构体变量，并初始化了其成员的值。

结构体变量的成员可以使用.操作符来访问，例如：

printf("学生ID：%d\n", student1.id);
printf("学生姓名：%s\n", student1.name);
printf("学生成绩：%f\n", student1.score);

上面的代码输出了student1结构体变量的成员的值。

注意，结构体的成员可以是任意类型，包括基本数据类型、指针、数组、其他结构体等。可以通过.操作符来访问结构体的成员，也可以使用指针来访问结构体的成员，使用指针访问结构体的成员需要使用->操作符。

例如，使用指针访问结构体的成员：

struct Student *ptr_student = &student1;
ptr_student->id = 3;
strcpy(ptr_student->name, "Alice");
ptr_student->score = 95.5;

C语言中，位段（bit-field）是一种数据结构，用于将内存空间的位字段化。它可以让用户指定一个存储单元中需要使用的位数。

位段使用的语法形式如下：

struct {
  type [member_name] : width;
};

其中，type 可以是整型数据类型（如 int、char 等），[member_name] 是位段的名称，width 是位段的宽度，指定了需要使用的位数。

例如，下面的代码定义了一个具有 3 个位段的结构体：

struct {
  unsigned int a : 4;
  unsigned int b : 5;
  unsigned int c : 3;
} bitfield;

在这个结构体中，a 的宽度为 4 位，b 的宽度为 5 位，c 的宽度为 3 位。

位段可以用于节省内存空间，因为它只使用所需的位数，而不是整个字节或字的空间。

然而，由于位段是由编译器决定如何存储，它的具体实现可能在不同的编译器和平台上有所不同。因此，在使用位段时需要注意其可移植性和实现细节。

一、结构体类型的声明

1.1 结构体

结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

1.1.1 结构的声明

struct tag
{
member-list;
}variable-list;

例如描述一个学生：

struct Stu
{
  char name[20]; //名字
  int age; //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}; //分号不能丢

1.1.2 结构体变量的创建和初始化

#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;
}

1.2 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

//匿名结构体类型
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（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。

1.3 结构的自引用

在结构体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;
};

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。

解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体

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

2.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

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。

当然，除上述之外，我们还可以使用宏定义来实现偏移量的计算

offsetof 计算结构体相较于起始位置的偏移量

//练习1
struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
  char c1;
  char c2;
  int i;
};
  printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
  printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
  char c1;
  struct S3 s3;
  double d;
};
  printf("%d\n", sizeof(struct S4));

#include <stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
int main()
{
  printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
  printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
  printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
  return 0;
}

2.2 为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是这样说的：

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;
};

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。

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("%d\n", sizeof(struct S));
  return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

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。

结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

四、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。

4.1 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：

位段的出现就是为了节约空间

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？

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

4.2 位段的内存分配

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，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vs里位段是从右向左使用的，在其他编译器下需要自己验证

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，但是有跨平台的问题存在。

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
  //正确的示范
  int b = 0;
  scanf("%d", &b);
  sa._b = b;
  return 0;
}

C语言从入门到实战——结构体与位段

结构体与位段

前言

一、结构体类型的声明

1.1 结构体

1.1.1 结构的声明

1.1.2 结构体变量的创建和初始化

1.2 结构的特殊声明

1.3 结构的自引用

二、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

三、结构体传参

四、结构体实现位段

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 位段使用的注意事项

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