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【C语言进阶篇】自定义类型：结构体（上）

article 2024/12/24 2:20:49

1. 结构体类型的声明

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1.1 结构体的创建和初始化

1.2 结构体的特殊声明

1.3 结构体的自引用

2. 结构体内存对齐

2.1 对齐规则

2.2 为什么存在内存对齐

2.3 修改默认对齐数

在我们描述简单对象的时候，使用已有的类型就足够了，比如:

但是当我们想要描述复杂对象的时候，光靠已有的这些变量似乎没法描述清楚，比如我们没法简单地用一个整型变量描述一个人：人有名字，需要用字符串描述；人还有年龄，需要用一个整型描述；人还可能有电话号码，也需要用一个字符串来描述。这个时候，就需要用到结构体类型了。

1. 结构体类型的声明

1.1 结构体的创建和初始化

可以看到，这里我们创建了结构体变量s，并将其中的元素初始化。这里的初始化方式我们是按照结构体中成员的顺序进行初始化的，如果想要按照自己想要的顺序进行初始化就可以按照下面的方式:

在创建结构体变量时也可按照下面的方式:

也可以同时创建多个变量:

1.2 结构体的特殊声明

前面我们声明结构体的时候属于完全声明，我们也可以不进行完全声明，也可以称之为匿名结构体:

这里在声明结构体的时候省去了标签(tag)。不完全声明和完全声明有什么区别呢？

不完全声明的结构体在没有重命名的情况下是一次性的，只能使用一次。

在知道上面这个的情况下，来看看下面的代码是否正确:

由于 struct 是一次性的，在创建完 s 之后就无法使用，因此，s 和 *p 会被编译器认为是不同的两个类型，因此这段代码是非法的！

1.3 结构体的自引用

链表:

这里在结构体内创建了结构体指针实现自引用的操作，从而实现链表。

注意：如果这里的Node是使用了重命名后产生的，但是在结构体内部提前使用了Node类型来创建变量，则是非法的，如下:

因此，尽量避免使用匿名的结构体。

2. 结构体内存对齐

我们已经学会了结构体的使用，随后我们深入来讨论一个问题：如何结构体的大小。

是类型就有大小，那么结构体类型的大小也像 int double char 这些一样是的吗？答案是否。

想要计算结构体的大小，我们首先需要知道一些规则:

2.1 对齐规则

1.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（对齐数）的整数倍的地址处。
首先要明白什么是对齐数:

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。

除了第一个成员以外，剩下的成员都要遵守这条规则，则应该是如下存储模式:

在上面我们已经将 c1、a、c2 存入了内存，那么结构体的总大小这样就可以知道了吗？答案是否，下面是第三条规则:

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齐数，所有对齐数中最大的）的
整数倍

在上面的存储中我们不难发现，当前结构体的总大小为 9 个字节，但是由于这条规则的存在，内存会继续向下开辟，知道结构体的内存为最大对齐数的整数倍:

当开辟出的空间大小是最大对齐数的整数倍时，就是结构体的大小了，这里结构体的大小为 12 ，是最大对齐数的 3 倍。同时不难发现，这里在开辟内存空间的时候是会产生浪费的，这是结构体设计的必然结果（至于为什么要这样设计，我们后面会讲）。既然空间会浪费，我们可不可以尽量使空间浪费得少一点呢？答案是可以的，看下面两段代码:

可以看到，这里我们创建的两个结构体变量中的结构体成员都是相同的，但是为什么大小却不相同呢？第一个结构体变量我们上面已经画图探究过了它的内存，现在我们来画图探究第二个:

可以看到，第二个结构体在开辟内存时，浪费的空间只有两个字节，这是因为当 i 存进内存后，结构体的大小正好是最大对齐数的整数倍，不用再继续向后开辟内存看空间导致浪费。

因此，我们在创建结构体变量的时候，可以尽量将小字节的变量放在一起创建，这样可以减少空间的浪费。

2.2 为什么存在内存对齐

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。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。我们画图理解: