C--结构体和位段的使用方法

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一：结构体

首先结构体我们有一个非常重要的规则 非常重要：

我们允许在初始化时自动将字符串字面量复制到字符数组中，但这不是通过赋值操作完成的，而是在初始化时直接进行的。然而，这要求整个初始化表达式是在结构体初始化列表中，而不是在结构体定义之后作为赋值操作。

就是说在结构体初始化之后s1.age=20可以，但是s1.name="abcdef"不行

#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
  
struct stu  
{  
    char name[20];  
    int age;  
    char sex;  
};  
  
int main()  
{  
    struct stu s1 = { .name = "lisi", .age = 18, .sex = 'F' };  
  
    // 修改字符数组类型的成员  
    strcpy(s1.name, "abcdef");  
    但是s.name="abcdef"不合法
  
    // 打印修改后的结构体成员以验证  
    printf("Name: %s, Age: %d, Sex: %c\n", s1.name, s1.age, s1.sex);  
  
    return 0;  
}

在C语言中，结构体初始化之后，对于非数组（或更具体地说，非字符数组）类型的成员，如 int 或 char，您可以直接使用赋值操作符（=）来修改它们的值。这是为什么呢？

因此，s1.age = 20; 是完全合法的。 然而，对于字符数组（如 char name[20];），情况就不同了。您不能直接使用赋值操作符将一个新的字符串字面量（如 “abcdef”）赋给字符数组，因为字符串字面量在内存中是一个常量，而数组名在大多数情况下表示数组首元素的地址（尽管它本身不是一个左值，但在初始化时是一个例外）。
如果您想在结构体初始化之后修改字符数组类型的成员，您需要使用字符串处理函数，如 strcpy

在大多数情况下（特别是在赋值操作中），你不能将数组名当作左值来使用，相当于直接arr=“abcdef”（错误）因为它不代表一个可以存储新值的变量。这就是为什么你不能写s1.name = “abcdef”;这样的代码来修改字符数组的原因。相反，你需要使用strcpy这样的函数来复制字符串到数组中。

总结：
对于非数组类型的结构体成员，可以直接使用赋值操作符（=）来修改它们的值。
对于字符数组类型的结构体成员，需要使用字符串处理函数（如 strcpy）来修改它们的值。

1： 结构体的特殊声明

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

2：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？（结构体的自引用）
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。（一直引用无穷无尽）

正确方法：这里我放一个指针：我就可以不去解引用，这样就不会一直访问了，或者置为NULL

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;   **还没重新命名你就用上了？**
}Node;  

所以说那样不行：这样就正确了，要有名字，然后用重命名之前的类型名字

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

3：结构体的对齐规则

3.1：首先掌握对齐规则

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。
   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。

#include <stdio.h>
int main()
{
	// 练习1
	struct S1
	{
		char c1;
		int i;
		char c2;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1)); 12
	//练习2
	struct S2
	{
		char c1;
		char c2;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));8
	//练习3
	struct S3
	{
		double d;
		char c;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));16
	//练习4-结构体嵌套问题
	struct S4
	{
		char c1;
		struct S3 s3;
		double d;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));32
	return 0;
}

3.2 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，为了访问未对⻬的内存，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⻬成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：结构体的内存对⻬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

1 //例如：
2 struct S1
3 {
4 char c1;
5 int i;
6 char c2;
7 };
8
9 struct S2
10 {
11 char c1;
12 char c2;
13 int i;
14 };
S1 和 S2 类型的成员⼀模⼀样，但是 S1 和 S2 所占空间的⼤⼩有了⼀些区别。

3.3：修改默认对齐数

默认对齐数的大小：一般为2^n(1,2,4,8,……）

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1,一般为2^n(1,2,4,8……)
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()
{
 //输出的结果是什么？
 printf("%d\n", sizeof(struct S));默认对齐数为1时候的值（6）
 return 0;
}

4：结构体传参（尽量传地址）

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) 传值：再传date[1000],形参太大，时间太长，再压栈一大堆
{
 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);传指针

上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。

原因：
函数传参的时候，参数是需要压栈（push进去，出来再销毁，费劲），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。

5：位段

1. 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 或者是char类型，在C99中位段成员的类型也可以
   选择其他类型。
2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

#include <stdio.h>
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));8
	return 0;
}

5.1 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 等类型
2. 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。
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。
   4
   

位段的问题：
6. int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。7. 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。
8. 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。（我们看来是左向右）
9. 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。（我们看来是舍弃）
总结：
跟结构相比较，位段（只能是int，unsigned int，char）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。

5.2：

像这样的传输信息采用位段就可以减少空间的使用，避免网络拥挤（打包数量小）

6:位段的注意事项：

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。譬如char a : 3; char b : 4; ( b就没有地址）
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;先输⼊
放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员
 return 0;
}

上述就是C–结构体和位段的使用方法的内容了
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