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自定义类型：结构体进阶

news 来源：原创 2025/7/29 4:40:02

一、结构体类型的声明

前⾯我们在学习操作符和初阶结构体的时候，已经学习了结构体的知识，这⾥稍微复习⼀下。

1.1结构体的回顾

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。

1.2结构的声明

struct tag(结构体标签)
{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

1.3结构体变量的创建和初始化

struct Point  //类型声明
{int x;int y;
}p1 = { 10,20 };//声明类型的同时创建变量p1并初始化struct Point p2 = { 0,0 };struct S
{int num;char ch;struct Point p;float d;
};int main()
{struct Point p3 = { 1,2 };//按照结构体成员的顺序初始化struct S s = { 100,'w',{2,5},3.14f };//结构体嵌套初始化//按照指定的顺序初始化 struct S s2 = { .d = 1.2f,.p.x = 3,.p.y = 5,.ch = 'q',.num = 200 };printf("%d %c %d %d %f\n", s.num, s.ch, s.p.x, s.p.y, s.d);printf("%d %c %d %d %f\n", s2.num, s2.ch, s2.p.x, s2.p.y, s2.d);return 0;
}

1.4结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

匿名结构体类型(只能使用一次)

只能使用一次的意思是：在定义时一次性声明1个或者多个变量，但后续无法再新增变量

下面两个结构体在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）

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

在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？

p = &x;

匿名结构体的类型没有名字，因此每次定义（即使成员完全相同）都会被视为一个全新的类型；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。

如果使用 typedef 为匿名结构体重命名，则生成一个可复用的类型名，可以自由创建多个变量：

typedef struct
{int a;char b;float c;
}X;X p1,p2,p3;// 合法，可无限创建

此时 X 是一个完整的类型名，与内置类型（如 int）用法一致。

1.5结构的自引用

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;//指向下一个节点的地址
};

结构体在编译时需要确定大小，直接包含自身会导致无限递归，无法确定内存大小；使用指针（固定大小，指针大小4/8字节）就可以确定大小（使用指针自引用是唯一可行方案）

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;

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

1.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

2.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⻬数（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。

练习1：

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%d\n",sizeof(struct S1));//12return 0;
}

我们可以进一步验证：

‌offsetof函数主要用于计算结构体成员在内存中的偏移量‌。它定义在C语言的stddef.h头文件中，接受两个参数：type（结构体类型）和member（结构体中的成员名）。offsetof函数的返回值类型为size_t，表示结构体成员相对于结构体起始地址的偏移量‌（以字节为单位）

#include <stddefe.h>
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%d\n",offsetof(struct S1,c1));//0printf("%d\n",offsetof(struct S1,i));//4 ---- 与0偏移处之间的距离为4printf("%d\n",offsetof(struct S1,c2));//8return 0;
}

练习2：

struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

由练习1和练习2对比可知，结构成员相同的结构体，练习2的写法更节省空间

练习3：

struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

练习4：

struct S
{int a;char c[5];double d;
};
int main()
{printf("%d\n",sizeof(struct S));//24return 0;
}

练习5：结构体嵌套问题

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

2.2 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。

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 ------ 例如练习1和2中练习2的写法更节省空间

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（VS 默认对齐数是8）

#pragma pack() --> 设置默认对齐数

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⻬数：

#pragma pack(1)
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};#pragma pack();//将对齐数1重新改回默认对齐数8int main()
{printf("%d\n",sizeof(struct S1));//6return 0;
}

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;
}

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

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。

四、结构体实现位段

4.1 什么是位段

位段 - 位 - 二进制位

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（可以是char），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;
};
int main()
{printf("%d\n",sizeof(struct A));//8return 0;
}

A就是⼀个位段类型。那位段A所占内存为什么是8呢？

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。

一个例子：

struct S
{char a:3;  //01100010（0x62）char b:4;  //00000011（0x03）   ----- > 3个字节char c:5;  //00000100（0x04）char d:4;
};
int main()
{struct S s = {0};s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;printf("%d\n",sizeof(struct S));//3return 0;
}

空间是如何开辟的？

4.3 位段跨平台问题

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，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;
}