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C语言学习记录（13）自定义类型：结构体

news 来源：原创 2025/8/23 6:21:09

一、结构体变量的声明、创建和初始化

1.结构体变量的声明

结构体变量我们学操作符的时候就顺带讲了一点了，因为当时讲了结构体成员变量访问操作符'.'。

结构体变量不像int、float这种内置类型的，一旦创建，系统就知道这是干啥的，结构体变量是那种我们想要在一个个体中存在多个变量用来储存数据所用的。也可以说是对我们要用的一系列变量的封装，全部装到一个结构体中。

比如我们之前所举例的：

对于一个学生个体，我们想要得到他的名字成绩和学号等变量。

一般的：

struct tag

{

member-list;

}variable-list;

tag是给成员变量起的名字，member-list是成员变量包括哪些类型，variable-list可以定义全局变量（也可以不写）。

这些我们都非常熟悉了。

你可以在成员列表就创建变量，也可以什么时候用什么时候创建。

2.匿名结构体变量的声明

如：

不带tag的结构体变量就被称为匿名结构体变量，对于这种结构体只适用于在创建完结构体以后，在成员列表里立刻创建变量（如果你在后面又想用这个类型你想想如果光写struct，你想的是去调用这个匿名的struct，但是编译器直接就凌乱了，一个文件有一大堆struct，它就是识别你是个struct，然后对照tag就知道你要求的到底是什么，匿名结构体很明显找不到tag），才能使用，所以一般只用于临时使用。

再次强调，匿名结构体编译器再找就找不到这个结构体了，因为他是根据tag来辨认的，除非你直接在成员列表里创建变量，变量名我们知道肯定是唯一的，顺着变量名就能找到对应的结构体。

3.typedef对结构体变量进行重命名

在学习指针的时候，比如函数指针了，int (*)(int,int)这是一个两个整型的参数，返回值为int的一个指向函数的指针，非常长，如果复用性很强的话，我们就会进行typedef重命名，使得调用这个类型的变量更加方便。

结构体的命名如：struct Stu你每次定义变量都得struct Stu s1必须完整打出来这是一个结构体变量，哪个结构体呢？tag为Stu的结构体，假如需要重复定义就会非常麻烦。

所以这个时候就可以借助typedef来重命名。

①严格遵守typedef的格式

typedef的标准语法为：

typedef 原始类型新类型名;

如typedef int i；typedef char ch;当然，内置类型都不需要进行重新定义，它们的格式已经十分简洁，但是对于结构体，比如：

这个可就比较长了，如果typedef，标准格式为：

严格按照typedef的语法来，即将struct Stu（原始类型）重命名为Stu（新类型名）

之后就可以借助Stu来建立类型为struct Stu的变量了。

②结构体特殊typedef类型

这是什么意思呢？

可以这么理解，一旦加了typedef，它就会疯狂的可以说是扫描吧，看看typedef后面跟的原始类型到底是什么，一看，哦，是一个结构体，struct包括了int age;float score;int id[20]等变量；最后跟的Stu就是新类型名，这里可以理解为定义了一个结构体，结构体的名字就是Stu。

如果这样定义一定不要省去Stu，否则会报错，因为不给Stu相当于不给新类型名，那么这个时候不符合typedef的语法。

注意区分

首先知道，如果为①这种类型的定义，你在后面定义的时候，既可以写struct Stu，也可以只写Stu，这里的Stu相当于别名；而②所给的相当于①的简化，struct Stu和Stu结果是一样的。

然后不要想着②的Stu明明在成员列表里，为什么不是一个成员变量呢，反而就可以成为别名。你如果写了typedef struct，这个时候编写程序就要求你把别名放到成员列表里，这个时候的Stu就是别名的意思。

当然，C语言的代码允许你一次写好几个别名，即如果你写：

有typedef在场的情况下Stu,s1,s2都是这个结构体的别名。但是实际在编写代码的时候不太推荐这么做，因为如果你这么写了，Stu还好，毕竟有意义，后面给的s1,s2很容易造成你后面编写代码，或者交由其他人继续编写的时候存在名称的冲突。

最后，再强调一下，typedef在场的情况下，成员列表的所有逗号分隔开的值认为都是这个结构体的别名，这个只有struct的时候（无论是不是匿名结构体），欣然当作创建了几个变量。

4.结构体变量的创建和初始化

上面说了这么多，可算把结构体变量的声明说完了，有了结构体变量以后我们就要借助我们定义的别名来创建结构体变量及给其初始化。

之前其实讲.操作符的时候已经说过了，这里给个图片展示。

犯抽抽了，我搞得时候把学号写成int类型的数组了，你当成int，计算机只会把你给的这个数当成你初始化第一个元素，然后因为太长int存不起来，你肯定会存在越界（单int类型不是数组存更完蛋，直接成乱码了，因为存不下），越其它元素的界，检查了检查把id这个数组改成char类型的就可以用" "来初始化，系统会一个一个数字的存，初始化方便了，打印直接%s也方便了。

5.结构体的自引用

学完C语言就该学习数据结构了，数据结构有线性结构了，树状结构了等，其中有一个东西就叫做链表。

我们学过的数组它的每个元素在内存中是连续存放的，而链表它的元素在内存中不一定是连续存放的，一般是用结构体定义的变量，一个存值，一个存下一个元素的指针。

画图来理解是这样的：

就像这样：

有一错误写法应该避免：

就是说这种情况下，是怎么想的呢？

我得存一个值，还得存下一个元素，这样肯定不对，不妨计算一下struct Node这个结构体的大小，发现会一直套娃下去，根本算不出来大小，所以最方便的还是存下一个链表元素的地址。

注意：

在typedef时要注意结构体定义的细节。

匿名结构体肯定是不行的，代码是一句一句执行的，你如果以一个匿名结构体方式重命名Node，在重命名前就要使用，所以名字不能省：

由此又警醒我们，匿名结构体千万不能乱用，如果要用就老老实实结构体，结构体成员列表，最后创建几个结构体变量。

二、结构体内存对齐

1.引例

有很多东西都是非常严谨的，不是凭我们所学的一知半解就能明白。

比如：

请计算S1和S2的大小，有的人就会说，那还不简单。

S1 = 1 + 4 + 1

S2 = 1 + 1 + 4

都是6。

代码一走就sb脸了，一个6都没有，一个12，一个8。

这里介绍一个宏，offsetof。用的时候包含头文件<stddef.h>

第一个参数是结构体的名字，第二个参数是结构体的成员。

返回值是这个成员到这个结构体的偏移量，单位为字节。

返回值是什么意思呢？

结构体整个要开辟一段内存空间，而每个成员都占有一定的内存空间，计算这个成员内存起始点到结构体内存起始点的距离。

先用再画图，以S1为例：

S1总共占了12个字节，先画出来：

c1的偏移量是0，i的偏移量是4，c2的偏移量是8，花在图中是：

根据变量大小，可得：

蓝绿黄绿这几个就是结构体成员分别所占的内存空间大小，而黑色其实根本用不到，被浪费了。

大约摸好像能感觉到好像存的都像int类型，而int恰好是占内存最大的那个元素，不一定就是这个规则，但是可以猜一猜。

所以就是12个字节，这里我们其实是结果推本质，那本质到底是什么呢？

2.结构体的对齐规则

①结构体的第一个成员对齐到结构体变量的起始位置的偏移量为0的地址处（一句话，第一个变量顶格）

②其他变量对齐到对齐数的整数倍（对齐数位编译器和变量大小中较小的数）

vs中默认偏移量为8

③结构体总大小为最大对齐数（所有成员变量的大小中最大的对齐量）的整数倍

④如果嵌套了结构体，嵌套的结构体成员对齐量为自己成员中最大的对齐数的整数倍处，结构体整体大小仍是最大对齐数的整数倍（有结构体成员去它最大对齐数比较）

基于这样的规则我们就可以分析分析：

首先明确，下面画的图里面的数字都是偏移量，是一个相对值，相对结构体的起始内存地址

S1的图：

一样道理的S2和S3不再写注释：

S4：

S1和S2对比，一个小小的结论就是，把占内存较小的变量放在一起，可以节省结构体所占用的内存空间。

3.为什么要存在结构体内存对齐

有的人就要问了，主播主播，为什么就非得搞个什么内存对齐呢？

①平台原因

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。

上面的都是复制粘贴，反正最主要的就是这个：

可移植性作以了解即可。

一句话，结构体的内存对齐是为了空间换时间。

4.修改默认对齐数

默认对齐数可以由一个预处理指令修改，#pragma

这么用：

默认对齐数是1怎么比对齐数都是1了，这个时候其实是取消了对齐。

可以通过

来取消（如果文件很大的话），文件小你注释或者删了都无所谓。

三、结构体传参

假如说打印一个非常非常大的结构体：

一个是传过去这个结构体变量，一个是传过去这个结构体变量的指针。

直接说结论，如果直接传变量，已经说过很多次了，传参是对你给的数据的临时拷贝，这个结构体占几千个字节，你搁栈区搞几千个字节；如果传指针，根据环境无非是4或8个字节，不用对结构体拷贝，直接找到结构体（如果嫌指针不安全就const）。

另外 ->是指针访问结构体成员操作符，我忘了之前说了没，这个就相当于(*ps).解引用得到一个结构体成员变量的位置，然后点访问。

其实挺直观的，箭头表示直接找到这个结构体成员。

四、结构体实现位段

1.对比位段和结构体

位段是育于结构体中的，但是位段的成员必须是整型，如int，unsigned int等；每个成员后都有冒号加数字。

举例：

第一个肯定是个结构体（变量名是字母数字下划线组成），第二个在变量定义的时候多了个冒号和数字。

结构体大小不多说，为什么A2就是8个字节呢？

位段位段，它的位的意思就是2进制位，将一个int类型的_a变量只给2个比特位，也就是说只能存 00 01 10 11即0 1 2 3（其实现实生活多的这种只需要存一个或两个数字，身份证男女就是），这样就省去了30个字节，其它的也同理。

初识我们了解到了一个点，位段是可以节省内存空间的。

2.位段的内存分配

位段空间一般以4个字节（int）和（char）类型开辟。

这个内存分配大概说说，假如这样吧：

这样的话内存肯定是一个一个字节申请的，然后这样的话碰见a取出来一个字节，用两个比特位，但是并不知道用的是低地址还是高地址，然后剩下了6个，碰见了b就再扣5个比特位，剩下一个肯定不够c用，但是不知道这个多的比特位是不用了还是继续给c用，然后在下一个申请的字节用三个还是既然不够了，索性四个比特位全放在新申请的。

我们之前学的大端小端字节序肯定只能试用正常申请一个int4个字节等的存储顺序方式，这个根本就是随机给的，C语言语法都没有明确规定。

总之，位段确实省空间，但是跨平台存在问题

3.位段的应用

位段（Bit-fields）在 C 语言中的应用非常广泛，特别是在硬件控制、嵌入式编程和通信协议中，因其能够提供位级别的控制，同时节省内存。下面是几个常见的位段应用场景：

①硬件编程和嵌入式系统

在硬件控制和嵌入式开发中，位段用于直接操作硬件寄存器。硬件寄存器通常由多个标志位组成，每个位控制一个特定的硬件特性。位段非常适合用来描述这些寄存器的状态。

② 网络协议和数据包解析

位段在通信协议中也有广泛应用。网络协议通常需要精确控制每一个标志位，用于标识消息的不同部分或状态。比如，IP 地址、数据包头部、标志字段等，很多情况下每个字段的大小并不等于字节，而是由多个位组成。

③文件格式与数据压缩

位段还经常用于一些特殊的文件格式或数据压缩算法中。这些文件格式要求数据存储和传输时尽可能节省空间。在文件头部或者数据结构中，很多时候会用到位段来表示不同字段的值。

④游戏开发与图形渲染

位段还可以用于游戏开发中的某些位图或图形数据结构。例如，表示像素的状态、颜色值或者图形的透明度时，可以使用位段进行高效存储。

这些都复制粘贴来的（问的ai），了解了解，万一用得上至少不一脸懵逼。

4.位段的注意事项

取地址的时候我们已经说了，取出来的都是某个变量的第一个字节的地址，而因为位段的原因，一个字节可能存多个变量的数据，这个时候就不能取地址。

如：

给这玩意输入可有福了，不能取地址那就不能用scanf，只能赋值，这里就创建了个变量承接输入的值并赋给它。