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结构体的使用

article 2024/9/23 23:33:09

hello，各位小伙伴们，今天让我们一起来学习一下结构体，这里主要介绍结构体的自引用，内存对齐，还有传参，位段！

结构体的内存对齐

我们该如何计算一个结构体的大小呢？

#include<stdio.h>
struct S
{    
    char a;
    int b;
    char c;
};
int main ()
{
    struct S s={ 0 };
    printf("%zd",sizeof(s));
    return 0;
}//输出结果为12

如果我们按照我们平常的理解会认为结果为6，但编译器输出的结果为12！因为结构体在内存中采用对齐的方式。

结构体对齐的规则：

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。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
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。
4. 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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

让我们画图来理解一下：

如果出现了结构体嵌套的情况，例如：

#include<stdio.h>
struct S1
{
  char a;
  int b;
  char c;  
};
struct S2
{
    char a;
    struct S1 s1;
    int b;
};
int main ()
{
    struct S2 s2={ 0 };
    printf("%zd",sizeof(s2));
    return 0;
}

至于为什么要对结构体进行内存对齐资料是这样说的：

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。

总结一下的话：通过牺牲空间来缩短运行时间！

如果我们要不牺牲很多空间又要节省时间我们可以对变量进行一个合理的排序，将较小的变量排在前面较大的变量排在后面。

在VS上默认的对齐数是8，但这个值是可以修改的！

只需要加上

#pragma pack(1)//将对齐数改为1
#pragma pack()//恢复默认对齐数

即可！

结构体传参

#include<stdio.h>
struct S1
{
    int arr[40];
    char a;
    int b;
};
void Print1(struct S1 s)
{
    int i = 0;
    for (i=0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",s.arr[i]);
    }
    printf("\n");
}
void Print2(struct S1 *s)
{
    int i = 0;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",s->arr[i]);
    }
}
int main ()
{
    struct S1 s = {{1,2,3,4,5},'b',4};
    Print1(s);
    Print2(&s);
    return 0;
}

上面展示了结构体传参的两种方式：传递结构体变量，传递结构体的地址。

在传递参数的时候尽量选则地址传递的方式。

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。

结构体实现位段

位段的成员后面为一个冒号和一个数字。

#include<stdio.h>
int main ()
{
    struct A
    {
        char a:3;
        char b:2;
        char c:5;
    };
    printf("%zd",sizeof(struct A));
    return 0;
}

此时A就是一个位段类型。

位段在内存中的分配

#include<stdio.h>
struct A
{
    char a:2;
    char b:4;
    char c:4;
};
int main ()
{
    struct A s={ 0 };
    s.a=4;
    s.b=8;
    s.c=12;
    printf("%zd",sizeof(s));
    return 0;
}

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。（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。

内存申请的一块内存中，从左向右还是从右向左使用是不确定的---在vs上从右向左
剩余的空间不足下一个成员使用的时候，是浪费还是继续是不确定的----在vs上浪费

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。

位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

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。

OK，本期就到这里啦，我们下期再见！