结构体

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

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

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s1,s2; //分号不能
s1和s2是struct Stu变量

也可以在直接用stryct Stu定义一个变量，如：struct Stu a

匿名结构体类型

struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;

匿名结构体变量，不能像前面那样用struct+类型名+名字 创建变量，因此匿名结构体类型只能使用一次，意思是在声明的时候可以创建变量，声明结束后就不能创建变量

struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;

a里面可以放20个匿名结构体数据，*和结构体类型组合起来叫结构体指针，定义了一个变量p，组合起来就是匿名结构体类型的指针变量

p = &x;

虽然x和p的成员一模一样，但是这里会出错，编译器会认为是俩种完全不同的类型

结构体的自引用

struct Node
{
int data; //数据
struct Node next; //下一个节点
};
//可行否？

如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

这种方式是错误的，计算不出节点大小，因为下一个节点里面又包含一个新的节点，会无线套娃

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

这种方法是正确的，应放下一个节点的地址

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

给匿名结构体类型重新安一个名字叫Node，这种写法也是错误的，这里不能确定是现有Node还是先有Node*

解决方案

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

先有名字，然后有这个Node类型，struct Node n1=Node n1

结构体变量的定义和初始化

struct Point
{
int x;
int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};
struct Stu //类型声明
{
char name[15];//名字
int age; //年龄
};
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化

struct Node
{
int data;
struct Point p;
struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化

结构体内存对齐

结构体内存对齐规则:1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为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 该成员大小的较小值。

              VS中默认的值为8，默认对齐数只有vs有

                                 3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

                                   4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

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

C1的对齐数是1：VS默认的对齐数是8，char的大小是1字节，1小于8，所以c1的对齐数是1

i的对齐数是4，c2的对齐数也是1

这里c2填到8这里之后，结构体总大小为0-8也就是9，9不是该结构体最大对齐数4的整数倍，因此要找到一个数，使0-该数是最大对齐数的整数倍

因此多申请了几个空间，使其偏移量为0-11，刚好12个字节，使4的整数倍，只不过申请的这些空间会被浪费掉

#include<stdio.h>
#include<string.h>
struct S2
{
  char c1;
  char c2;
  int i;
};
int main()
{
  printf("%d", sizeof(struct S2));
  return 0;
}

0-7，总字节大小是8

如何查看偏移量

offsetof （宏）第一个参数是结构体类型，第二个参数是结构体成员，返回值是该成员在结构体中的偏移量，头文件

以第一题为例子

结构体嵌套问题

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stddef.h>
struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
int main()
{ 
  printf("%d\n", sizeof(struct S3));
  return 0;
}

0-15，刚好16个字节是8的整数倍

struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
struct S4
{
  char c1;
  struct S3 s3;
  double d;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct S4));
  return 0;
}

结构体内存对齐规则:1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为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 该成员大小的较小值。

              VS中默认的值为8，默认对齐数只有vs有

                                 3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。

                                   4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

c1的对齐数为1，S3的对齐数为它自己最大的对齐数，所以s3最大的对齐数是8，但s3大小为16个字节，double d的大小为8个字节，对齐数为8个字节，

0-31是32个比特位，是最大对齐数的整数倍

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。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

在32位机器上一次可以访问32个比特位，4个字节，若没有对齐，访问i，需要访问俩次

若对齐，则可以跳过前面四个字节，一次性将i的4个字节访问完

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

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

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
return 0;
}

#pragma once防止头文件被多次引用

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？P2

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。

位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。

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;
};

冒号后面的数字代表比特位，如int_a:2 _a此时占2个比特位

位段是用来节省空间的

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 （属于整形家族）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。

位段是如何分配的

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;
  return 0;
}

给a分配了3个比特位的空间，所以我们先开辟一个字节的空间来存储a，a=10，a的二进制1010，但是只有三个比特位，所以a只能保存010

b需要4个比特位，b=12，12的二进制1100，a刚才用了3个比特位还剩5个，所以不用给b再开辟一个新的字节，而是用刚才剩余的空间

c5个比特位，c=3，3的二进制011，刚才剩的空间不够所以给3要开辟一个新的字节

3占5个比特位，d占4个比特位，刚才空间又不够，继续开辟给d一个新的字节，d=4，4的二进制0100

接下来我们看内存

这是在一个字节内部，不考虑大小端问题

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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题在