前言
C语⾔已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，假设想描述学⽣，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不⾏的。
描述⼀个学⽣需要名字、年龄、学号、⾝⾼、体重等； 描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语⾔为了解决这个问题，增加了结构体这种⾃定义的数据类型，让程序员可以⾃⼰创造适合的类型。
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，如： 标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体。
结构体类型的声明
结构的声明
struct tag { member-list; }variable-list;
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
结构体变量的定义和初始化
//代码1：变量的定义 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 //代码2:初始化。 struct Point p3 = {10, 20}; struct Stu //类型声明 { char name[15];//名字 int age; //年龄 }; struct Stu s1 = {"zhangsan", 20};//初始化 struct Stu s2 = {.age=20, .name="lisi"};//指定顺序初始化 //代码3 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
结构体的特殊声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。
//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。
结构体的自引用
在结构中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是否可以呢？
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了
typedef struct Node { int data; struct Node* next; }Node;
结构体成员访问操作符
结构体成员的直接访问
结构体成员的直接访问是通过点操作符.访问的。
点操作符接受两个操作数。如下所⽰：
#include <stdio.h> struct Point { int x; int y; }p = {1,2}; int main() { printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y); return 0; }
使⽤⽅式：结构体变量.成员名
结构体成员的间接访问
有时候我们得到的不是⼀个结构体变量，⽽是得到了⼀个指向结构体的指针。如下所⽰：
#include <stdio.h> struct Point { int x; int y; }; int main() { struct Point p = {3, 4}; struct Point *ptr = &p; ptr->x = 10; ptr->y = 20; printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y); return 0; }
使⽤⽅式：结构体指针->成员名
综合举例：
#include <stdio.h> #include <string.h> struct Stu { char name[15];//名字 int age; //年龄 }; void print_stu(struct Stu s) { printf("%s %d\n", s.name, s.age); } void set_stu(struct Stu* ps) { strcpy(ps->name, "李四"); ps->age = 28; } int main() { struct Stu s = { "张三", 20 }; print_stu(s); set_stu(&s); print_stu(s); return 0; }
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。
这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬
对齐规则
- 结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
- 其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中gcc没有默认对⻬数，对⻬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⻬数，所有对⻬数中最⼤的)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⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。
offsetof
我们可以使用offsetof来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量
头文件：stddef.h
offsetof (type,member)
例子如下：
#include <stddef.h> #include <stdio.h> struct S1 { char c1; char c2; int n; }; struct S2 { char c1; int n; char c2; }; int main() { struct S1 s1 = {0}; printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c1));//0 printf("%zd\n", offsetof(struct S1, c2));//1 printf("%zd\n", offsetof(struct S1, n));//4 printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c1));//0 printf("%zd\n", offsetof(struct S2, n));//4 printf("%zd\n", offsetof(struct S2, c2));//8 return 0; }
在VS环境下
//练习1 struct S1 { char c1;//1 8 1 int i;//4 8 4 char c2;//1 8 1 }; printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12 //练习2 struct S2 { char c1;//1 8 1 char c2;//1 8 1 int i;//4 8 4 }; printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8 //练习3 struct S3 { double d;//8 8 8 char c;//1 8 1 int i;// 4 8 4 }; printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16 //练习4-结构体嵌套问题 struct S4 { char c1;//1 8 1 struct S3 s3;// 8（自身成员最大对齐数为8，自身大小为16） double d;//8 8 8 }; printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32
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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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。并且在读完后还存在拼数据，效率很低
总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，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; };//12 struct S2 { char c1; char c2; int i; };//8
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
#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;//1 1 1 int i;//4 1 1 char c2;//1 1 1 }; #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));//6 return 0; }
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
其实就是传址调用和传值调用的区别，当结构体所占字节数过大时，形参是实参的拷贝，使用传值调用则会占用空间很大，数据拷贝花费时间很多，导致性能下降
结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址
结构体实现位段
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。
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？
位段的内存分配
位段中的位指的是二进制位
- 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。
其实就是我们有时候知道一个整型只需要表示0,1,2，我们就不需要给32个比特位，只需要2个比特位就可以，位段的实现理念就是这样的
//⼀个例⼦ struct S { //后面的数字表示比特位 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？
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（sizeof(int)=2），32位机器最⼤32。 比如写成int _a: 20;，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。
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。
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; }
