一、 结构体类型的声明
前面我们在学习操作符的时候，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。
1.1.1 结构的声明
struct tag
{
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
};
1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include <stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};
int main()
{
//按照结构体成员的顺序初始化
struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
printf("name: %s\n", s.name);
printf("age : %d\n", s.age);
printf("sex : %s\n", s.sex);
printf("id : %s\n", s.id);
//按照指定的顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex ="女" };
printf("name: %s\n", s2.name);
printf("age : %d\n", s2.age);
printf("sex : %s\n", s2.sex);
printf("id : %s\n", s2.id);
return 0;
}
这段代码主要演示了结构体的两种初始化方式：按成员顺序初始化 和 指定成员初始化
按成员顺序初始化：struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };这种方式必须严格按照结构体中成员的声明顺序来写：name → age → sex → id，否则数据就会错位。
指定成员初始化：
struct Stu s2 = {
.age = 18,
.name = "lisi",
.id = "20230818002",
.sex = "女"
};
这种方式：可以打乱顺序、只初始化部分成员、可读性更强、更不容易出错
1.2 结构的特殊声明
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;
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签。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。
1.3 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;
};
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。这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐
2.1 对齐规则
首先得掌握结构体的对齐规则：
- 结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
2.其他成员变量要对齐到某个数字的整数倍的地址处。
对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员变量大小的较小值。
VS中默认的值为8，Linux中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
-
结构体总大小为最大对齐数的 整数倍。
-
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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的整数倍。
下面有四个小练习，请写出他们的输出结果：
#include<stdio.h>
int main()
{
//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));
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
}
练习1：S1 的成员顺序是 char + int + char。由于 int 需要 4 字节对齐，编译器会在 c1 后填充 3 个字节，使 i 从 4 的倍数地址开始；最后结构体整体还要按最大对齐数（4）补齐，因此结果是 12 字节。
练习2：S2 把两个 char 放在前面，减少了中间填充，但 int 仍需 4 字节对齐，结构体总大小仍要按 4 对齐，所以结果是 8 字节（前两个 char 占 2 字节，填充 2 字节后放 int）。
练习3：S3 含有 double，其对齐数通常是 8。成员排列为 double + char + int，中间会产生填充，并且结构体最终要按 8 的倍数对齐，因此结果是 16 字节。
练习4：S4 出现结构体嵌套，内部的 S3 会整体按它自己的对齐要求参与对齐，而整个 S4 的最大对齐数由成员中最大的决定（这里是 double 的 8）。经过对齐和尾部补齐后，结果是 32 字节。
2.2 为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是这样说的：
-
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。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齐成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
//例如：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
在 S1 中，成员顺序是 char → int → char。c1 占 1 字节后，为了让后面的 int 按 4 字节对齐，编译器会填充 3 个字节，然后放置 int（4 字节）。接着放入 c2（1 字节），最后为了让结构体整体按最大对齐数 4 对齐，还会再补齐 3 个字节，因此 sizeof(struct S1) 通常是 12 字节。
而在 S2 中，两个 char 放在前面，占 2 字节，接下来为了让 int 按 4 字节对齐，只需填充 2 个字节，再放入 int（4 字节）。此时总大小已经是 8，刚好是最大对齐数 4 的倍数，不需要额外补齐，所以 sizeof(struct S2) 通常是 8 字节。
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齐数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
这里的S与上面的S1相同，但结果不同，这次输出的是6.
在结构体 S 中，成员依次是 char（1 字节）、int（4 字节）、char（1 字节）。由于对齐数被强制为 1，每个成员都按 1 字节对齐顺序存放，因此总大小就是简单相加：1 + 4 + 1 = ****6 字节。随后使用 #pragma pack() 取消设置，恢复编译器默认对齐规则，避免影响后续结构体。
三、 结构体传参
下面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
#include<stdio.h>
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;
}
答案是：首选print2函数。 因为函数传参的时候，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。
四、 结构体实现位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。
4.1 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 ，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。
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所占内存的大小是多少？
位段允许在一个整型存储单元中按“位”而不是按“字节”分配空间，常用于节省内存或进行底层数据控制。结构体中四个成员分别占用 2 位、5 位、10 位和 30 位，总共是 47 位。
在大多数编译器中，位段以其基础类型为单位进行分配，这里基础类型是 int（通常 4 字节 = 32 位）。编译器会按顺序把位段装入一个或多个 int 存储单元中：前面三个成员 _a + _b + _c = 17 位，可以放在第一个 32 位单元里；而 _d 需要 30 位，但第一个单元剩余空间不够，因此会开启第二个 32 位单元来存放。这样一共使用了 2 个 int 单元（2 × 4 字节），所以 sizeof(struct A) 通常结果是 8 字节。
4.2 位段的内存分配
-
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。
4.3 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16，32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。
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;
}
