入门学习计算机第十八天——自定义数据类型（结构体）

article/2025/9/22 17:37:39

入门学习计算机第十八天——自定义数据类型（结构体）

编译器：Microsoft Visual Studio 2019

自定义类型：

  • 结构体
  • 枚举
  • 联合体

结构体

结构体类型的声明

结构的基础知识
结构是一些值的集合，这些值称为成员变量

结构的声明

struct tag
{member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表

例如：

//声明一个结构体类型
//声明一个学生类型，是想通过学生类型来创建学生变量（变量）
//描述学生： 属性+名字+电话+性别+年龄
struct Stu
{char name[20];char tele[12];char sex[10];int age;
}s4,s5,s6;//全局变量，与s3同理
struct Stu s3;//全局变量
int main()
{struct Stu s1;struct Stu s2;//创建结构体变量return 0;
}

特殊的声明:
匿名结构体类型

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

struct 
{int a;int c;
}sa;
struct
{int a;int c;
}*psa;
int main()
{psa = &sa;return 0;
}

编译器此时会报警告：
在这里插入图片描述
编译器会把上述两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的

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？

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

是否可行？
编译器此时也会报错。无法确认结构体类型的大小

正确的自引用方式

struct Node
{int data;struct Node* next;//指针，大小为4或者8个字节0
};

结构体变量的定义和初始化

struct S//结构体变量的定义
{char c;int a;double b;char arr[20];
};int main()
{struct S s = { 'c',100,3.0,"hello bit" };//结构体变量的初始化printf("%c %d %lf %s\n", s.c, s.a, s.b, s.arr);//结构体成员的访问

输出的结果：
在这里插入图片描述

结构体内存对齐

已经掌握了结构体的基本使用了
现在深入讨论一个问题：计算结构体的大小
这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

以下输出的结果是？

struct S1
{char c1;int a;char c2;
};
struct S2
{char c1;char c2;int a;
};
int main()
{struct S1 s1 = { 0 };printf("%d\n", sizeof(s1));//struct S2 s2 = { 0 };printf("%d\n", sizeof(s2));return 0;
}

在这里插入图片描述
为什么是12和8？
如何计算？首先要掌握结构体的对齐规则

  1. 第一个成员在与结构体变量为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的中默认值为8）

  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

在struct s1中

struct S1
{char c1;int a;char c2;
};

第一个成员变量要对齐到结构体变量为0的地址处，也就是最一开始的地址，类型是char，所以只占1个字节
第二个成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处，第二个变量是int ，该成员的大小是4，小于vs的默认值，所以对齐数就是4，所以要在上一个成员的地址处空出到地址为4的地址，此时是1倍的关系。
第三个成员变量同理，变量类型是char，对齐数是1，倍数为1，所以在第二个成员变量的下一个地址处。
此时3个成员的大小为9，
但又因为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， 最大的对齐数是4，只有当是12的时候，大小才是最大对齐数的整数倍。
在这里插入图片描述
同理s2

struct S2
{char c1;char c2;int a;
};

第一个成员变量要对齐到结构体变量为0的地址处，也就是最一开始的地址，类型是char，所以只占1个字节.
第二个成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处，第二个变量是char，该成员的大小是1，小于vs的默认值，所以对齐数就是1，所以要在上一个成员的地址处空出到地址为1的地址，此时是1倍的关系。
第三个成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址处，第三个变量是int，该成员的大小是4，小于vs的默认值，所以对齐数就是4，所以要在上一个成员的地址处空出到地址为4的地址，此时是1倍的关系。
此时，占用的大小是8，已经是最大对齐数的整数倍，所以8就是结构体变量S2的大小。
在这里插入图片描述

struct S3
{double d;char c;int a;
};
struct S4
{char c1;struct S3;double d;
};
int main()
{struct S3 s3 = { 0 };printf("%d\n", sizeof(s3));struct S4 s4 = { 0 };printf("%d\n", sizeof(s4));return 0;
}

输出的结果是 16\32
主要讲s4的大小，因为其中有嵌套
首先是第一个成员在与结构体变量为0的地址处，因为是char类型，占一个字节。
第二个成员嵌套了结构体，其中嵌套的struct s3最大对齐数是其中的double对应的8，所以第二个成员在8的地址对齐，第二个成员的大小又是16。
第三个成员是double类型，前两个成员的地址加起来是8+16，是8的倍数，所以直接在后面加入8个字节。
8+16+8=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。
在这里插入图片描述
在32位机器下，一次可以访问4个字节的内容，如果没有内存对齐，c与a是紧挨着存储的，在一次访问时，访问了c以及a的一部分内存，读取一次就可以得到c。再读取a时，先从读取过的部分再向后读取4个字节，但只有a的后半部分，需要再读取一次，获取a的前半部分。所以再读取a的时候需要两次。
如果有内存对齐，再牺牲了一定的内存之后，a与c都只需要一次访问即可。

那么在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间：

让占空间小的成员尽量集中在一起

修改默认对齐数
#pragma 这个预处理指令，可以用来改变默认对齐数

#pragma pack(4)
//设置默认对齐数为4
struct S
{char c1;double d;
};
#pragma ()
//取消设置的默认对齐数
int main()
{return 0;
}

offsetof宏 需要引头文件<stddef.h>
求结构体成员偏移量

struct S
{char c1;int a;double d;
};int main()
{printf("%d\n",offsetof(struct S,c1));printf("%d\n",offsetof(struct S,a));printf("%d\n",offsetof(struct S,d));return 0;
}

输出的结果是 0，4，8

结构体传参

struct S
{char c1;int a;double d;
};
void Inits(struct S tmp)
{tmp.c1 = 'w';tmp.a = 100;tmp.d = 3.14;
}
void Inits1(struct S* ps)
{ps->c1 = 'w';ps->a = 100;ps->d = 3.14;
}
void print(struct S tmp)
{printf("%c %d %lf\n", tmp.c1, tmp.a, tmp.d);
}
void print1(const struct S* ps)
{printf("%c %d %lf\n",ps->c1,ps->a,ps->d);
}
int main()
{struct S s = { 0 };Inits(s);Inits1(&s);print(s);print1(&s);return 0;
}

函数Inits 传的是s的值，函数中tmp改变只是tmp本身的值，没有对s进行改变，
函数Inits1 传的是s的地址，函数中ps指向s的值，对s直接进行改变。
函数print函数传的是s的值，函数中tmp是s的临时拷贝，对其可以打印出s的值，但是拷贝占用新的空间
函数print1函数传的是s的地址，函数中ps指向s对其进行打印，没有占用额外的空间。但是可能会把s的值进行修改，所以需要const修饰

结构体实现位段（结构体的填充&可移植性）

什么是位段？

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
//位段：二进制位
struct A
{int _a : 2;//只需要2个bitint _b : 5;//只需要5个bitint _c : 10;//只需要10个bitint _d : 30;//只需要30个bit
};
//47bit 一共是6个字节，但是答案是8个字节？
//
int main()
{struct A a;printf("%d\n", sizeof(a));//8return 0;
}

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

结构体变量首先开辟一个整形大小的空间（32个bit），首先分配给a 2个bit,b 5个bit,c 10个bit，一共先分配了17个bit，剩下的15个bit无法存放d，所以剩下的空间浪费掉了。再开辟新的整形大小空间用来存放d，分配给d 30个bit，剩下2个bit也浪费掉了。所以一共是开辟了两个整形大小的空间，一共8个字节
在这里插入图片描述

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
  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。

在这里插入图片描述

枚举

枚举类型的定义

enum Day//enum 枚举关键字
{Mon,Tues,...
};

枚举的优点

可以使用#define 定义常量，为什么非要使用枚举？

  1. 增加代码的可读性和可维护性
  2. 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨
  3. 防止了命名污染（封装）
  4. 便于调试
  5. 使用方便，一次可以定义多个常量

枚举的使用

enum color//颜色
{RED = 1,GRERN = 2,BLUE = 4,};
int main()
{enum color clr = GRERN;return 0;
}

联合

联合类型的定义

联合也是一种特殊的自定义类型，这种类型定义的变量也包含一系列的成员，特征是这些成员共用同一块空间（所以联合也叫共用体）

union Un
{char c;int i;
};
int main()
{union Un u;printf("%d\n", sizeof(u));printf("%p\n", &(u.c));printf("%p\n", &(u.i));printf("%p\n", &u);return 0;
}

在这里插入图片描述

联合的特点

联合的成员是共用同一块内存空间的，这样的一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）
用联合的特点求出该机器的字节序存储模式

int check_sys()
{union Un{char c;int i;}u;u.i = 1;return u.c;
}
int main()
{int ret = check_sys();if (1 == ret){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}
}

输出的结果是小端

联合大小的计算

  • 联合的的大小至少是最大成员的大小
  • 当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍
union Un
{int a;//对齐数是4char arr[5];//对齐数是1，而不是5
};
int main()
{union Un u = { 0 };printf("%d\n", sizeof(u));return 0;
}

输出的结果是8


http://chatgpt.dhexx.cn/article/DVyaOiLn.shtml

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