本篇文章对C语言中的结构体进行了深度剖析。对结构体的声明、使用、内存存储方式等等重点内容进行详细介绍。
一、结构体的声明与使用
1、1 结构体的简单声明
首先我们应该知道结构体什么。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。
我们看结构体的声明代码模板。
struct tag { member-list; }variable-list;
tag是标签的意思，也就是我们要声明哪一类的结构体。member-list是成员变量列表，是我们声明成员变量的地方。variable-list是对象变量列表，相当于声明对象变量。
我们看声明一个学生类的结构体，代码如下：
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、2 结构体的特殊声明
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;
我们可以看到，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;
答案是非法的。我们看到上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag），虽然他们的成员变量是一摸一样的，但是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。。
1、3 结构体自引用
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？我们看如下代码：
//代码1 struct Node { int data; struct Node next; }; //可行否？ 如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？
答案是不可以的。我们发现在计算结构体大小是，进入了死循环。正确的方式如下：
struct Node { int data; struct Node* next; }; //注意 typedef struct { int data; Node* next; }Node; //这样写代码，可行否？ //解决方案： typedef struct Node { int data; struct Node* next; }Node;
我们要注意的一点，上述中的第二种方式是不对的。真或缺的解决方案我们同样给出。
1、4 结构体变量的定义和初始化
有了结构体，就到了对结构体变量的定义和初始化。这个也是比较简单的。我们直接看代码：
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
1、5 结构体传参
我们先来看一段代码：
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。
二、结构体在内存中的存储方式
2、1 结构体在内存中的存储方式的引入
前面我们学过了整型和浮点型在内存中的存储方式（带你深度剖析《数据在内存中的存储），那么结构体呢？
我们先看两个例子，代码如下：
//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));
我们第一次看到两个结构体的大小感觉是一样大的，并且都为6个字节。那我们来看一下答案是这样的吗？
答案好像并非如此，到底是为什么呢？这就涉及到了结构体在内存中的存储方式了。也就是结构体的内存对齐。我们来详解以下内存对齐。
2、2 结构体的内存对齐
那么到底什么是内存对齐呢？内存对齐如何计算？首先得掌握结构体的对齐规则：
第一个成员在与结构体变量偏移量为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 该成员大小的较小值。VS中默认的值为8。
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。
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。
通过对结构体的对齐规则了解后，娜美我们就知道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。所以大小是不同的。
为什么存在内存对齐?大部分的参考资料都是如是说的：
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。
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。
2、3 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。代码如下：
#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)); }
我们再看一下修改默认对齐数后的的结果。
还是有所不同的。当我们把默认对齐数修改为1后，相当与可以直接连续放在内存中。所以结构也就是哦我们最开始想的6了。
结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。
三、结构体的位段
3、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 。
- 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; };
A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少呢？
结果好像再次出乎意料耶。这就与位段的内存分配有关了，接下来我们看一下位段的内存分配。
3、2 位段的内存分配
位段的内存分配如下：
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。
在使用位段时，我们也要注意以下几点：
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
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。
通过上面对位段的了解后，我们也就知道上述例题的答案为什么是8了。 上述的结果位段的标准是是从右向左分配标准、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。
四、总结
结构体的声明和使用相对来说较为简单，我们需要重点掌握结构体的内存对齐规则和位段。这也是常考的内容。后续我会更新一篇关于结构体的练习的文章，大家可以用来练习巩固。
我们对于结构体的讲述就到这里，希望以上内容对你有所帮助。感谢观看ovo~
