C 语言结构体：从入门到进阶的全面解析

一、结构体类型的声明

1.1 结构的声明

结构体是一种自定义的数据类型，允许将不同类型的数据组合成一个整体。声明语法如下：

struct 结构体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    // ...
};

示例：

struct Student {
    char name[20];
    int age;
    float score;
};

1.2 结构体变量的创建和初始化

• 创建方式：

struct Student stu1;  // 先声明类型，后定义变量
struct { int x; int y; } point;  // 匿名结构体

初始化方式：

struct Student stu2 = {"张三", 18, 90.5};
struct Student stu3 = { .age = 20, .name = "李四",.score = 85.0};  // C99指定初始化器
   
   
    

1.3 结构的特殊声明

匿名结构体可以直接定义变量，但无法重复使用：

struct {
    int a;
    char b;
} anon_var;

1.4 结构的自引用

用于构建链表等复杂结构：

struct Node {
    int data;
    struct Node* next;  // 正确方式
};

错误示例：

struct Node {
    int data;
    Node* next;  // 错误：未定义类型Node
};

二、结构体内存对齐

2.1 对齐规则

struct Example1 {
    char c;  // 第一个成员，直接放在起始地址 0 处
    int i;
};

#include <stdio.h>

struct Example2 {
    char c;  // 第一个成员，放在地址 0 处
    int i;   // 成员大小为 4 字节，VS 中默认对齐数为 8，对齐数取较小值 4
             // 由于 char 占 1 字节，当前地址 1 不是 4 的整数倍，需要填充 3 字节
             // 所以 i 从地址 4 开始存放
};

int main() {
    printf("Size of Example2: %zu\n", sizeof(struct Example2));
    return 0;
}

#include <stdio.h>

struct Example3 {
    char c;  // 对齐数为 1，放在地址 0 处
    short s; // 对齐数为 2，由于 c 占 1 字节，当前地址 1 不是 2 的整数倍，填充 1 字节，s 从地址 2 开始存放
    int i;   // 对齐数为 4，s 占 2 字节，当前地址 4 是 4 的整数倍，i 从地址 4 开始存放
};

int main() {
    printf("Size of Example3: %zu\n", sizeof(struct Example3));
    return 0;
}

#include <stdio.h>

struct Inner {
    char c;  // 对齐数为 1
    int i;   // 对齐数为 4，最大对齐数是 4
};

struct Example4 {
    char c1;         // 对齐数为 1，放在地址 0 处
    struct Inner in; // 嵌套结构体，最大对齐数是 4，当前地址 1 不是 4 的整数倍，填充 3 字节，in 从地址 4 开始存放
    short s;         // 对齐数为 2，in 占 8 字节（1 + 3 填充 + 4），当前地址 12 是 2 的整数倍，s 从地址 12 开始存放
};

int main() {
    printf("Size of Example4: %zu\n", sizeof(struct Example4));
    return 0;
}

2.2 为什么存在内存对齐？

1. 硬件效率：按块读取内存

现代 CPU 读取内存是一块一块来的，就像从书架上拿书，一次拿一摞（比如 4 本或 8 本）。要是数据没对齐，就像书没摆好，CPU 得多次伸手去拿，才能凑齐想要的数据，效率低。而数据对齐后，CPU 一次就能拿到完整的数据，速度快多了。

2. 兼容性：不同平台要求不同

不同的硬件平台，就像不同的书架，对书的摆放要求不一样。有些书架要求书必须按顺序一本本对齐放，要是放乱了，就拿不出来或者拿错。所以程序在不同硬件上跑，数据对齐得符合人家的要求，不然就可能出错。

3. 性能优化：减少访问次数

内存访问就像去书架找书，次数多了很麻烦。合理对齐数据，能让 CPU 一次拿到更多有用的数据，就像一次能拿一摞需要的书，不用来回跑好几趟，程序自然就跑得快啦。

2.3 修改默认对齐数

使用#pragma pack()指令：

#pragma pack(2)  // 设置对齐数为2
struct Test {
    char a;  // 1字节，起始地址0
    int b;   // 4字节 → 按2对齐，起始地址2
};           // 总大小：6字节（2+4=6）
#pragma pack() // 恢复默认对齐

三、结构体传参

• 值传递：

void print_stu(struct Student s) { ... }  // 效率低，复制整个结构体

• 指针(地址)传递：

void print_stu(const struct Student* s) { ... }  // 推荐方式

注意：指针传递需确保指针有效，避免野指针问题

四、结构体实现位段

4.1 什么是位段

在 C 语言里，有些数据所需存储空间极小，像表示开关状态（开或关），1 位二进制数（0 或 1）就足够；表示 8 种不同等级，用 3 位二进制数（能表示 0 - 7）就行。但基本数据类型如 char 占 1 字节（8 位），int 一般占 4 字节（32 位），用它们存储这类数据会浪费内存。

位段可解决此问题，它允许在结构体中精准指定每个成员使用的二进制位数，从而高效利用内存。示例如下：

#include <stdio.h>

struct MyFlags {
    unsigned int is_open : 1;  // 1 位表示开关状态
    unsigned int level : 3;    // 3 位表示 8 种等级
    unsigned int mode : 2;     // 2 位表示 4 种模式
};

int main() {
    struct MyFlags flags;
    flags.is_open = 1;
    flags.level = 5;
    flags.mode = 2;
    printf("is_open: %u\n", flags.is_open);
    printf("level: %u\n", flags.level);
    printf("mode: %u\n", flags.mode);
    return 0;
}

4.2 位段的内存分配

按类型分配

位段通常按 int、unsigned int 或 signed int 类型分配内存，常见系统中 int 占 4 字节（32 位）。

依次存放规则

位段成员在内存中依次存放。若前面位段成员占用位数与当前位段成员要占用的位数之和，未超过当前分配的内存块（通常 32 位），则当前位段成员接着分配；若超过，则从下一个内存块开始分配。

未命名位段用途

未命名位段可作 “占位符”，调整后续位段成员的起始位置，灵活控制内存使用。示例：

#include <stdio.h>

struct BitFieldExample {
    unsigned int part1 : 5; 
    unsigned int part2 : 3; 
    unsigned int : 2;       
    unsigned int part3 : 4; 
};

int main() {
    printf("Size of BitFieldExample: %zu bytes\n", sizeof(struct BitFieldExample));
    return 0;
}

该结构体中，各成员位段总和未超 32 位，所以通常占 4 字节。

4.3 位段的跨平台问题

存储顺序差异

不同编译器处理位段时，位段在内存中的存储顺序可能不同，有的从低位开始分配，有的从高位开始，这会使相同代码在不同编译器下，位段成员存储位置有差异。

长度限制不同

不同平台和编译器对位段成员长度限制有别，部分编译器不允许位段成员位数超特定值。

负数处理不同

有符号位段在不同编译器处理负数的方式可能不同，导致代码在不同平台运行结果有差异。

4.4 位段的应用

网络协议解析

网络协议头部包含众多标志位和状态信息，用很少位数就能表示，位段可方便解析处理这些头部信息。例如 IPv4 协议头部的 4 位版本号和 4 位首部长度：

#include <stdio.h>

struct IPv4Header {
    unsigned int version : 4;     
    unsigned int header_length : 4; 
};

int main() {
    unsigned char header_data = 0x45; 
    struct IPv4Header *ip_header = (struct IPv4Header *)&header_data;
    printf("Version: %u\n", ip_header->version);
    printf("Header Length: %u\n", ip_header->header_length);
    return 0;
}

设备寄存器控制

嵌入式系统开发中，常与硬件设备寄存器交互，寄存器很多位有特定含义，用于控制设备功能，位段可方便操作寄存器各位。

节省内存

在嵌入式系统或资源受限设备中，位段能精确控制数据占用位数，节省大量内存，提升程序运行效率。

4.5 位段使用的注意事项

类型要求

位段类型必须是 int、unsigned int 或 signed int，其他类型（如 char、float）不可用。

不能取地址

不能使用 & 运算符获取位段成员地址，因为位段成员可能只占字节部分位，无独立内存地址。

跨平台兼容性

不同编译器和平台处理位段有差异，编写代码时要留意跨平台兼容性，充分测试。

避免位数溢出

给位段成员赋值时，不能超出其表示范围，否则会溢出，导致不可预期结果。例如：

#include <stdio.h>

struct WrongUsage {
    unsigned int small_num : 2;
};

int main() {
    struct WrongUsage wu;
    wu.small_num = 5;  // 2 位位段只能表示 0 - 3，赋值 5 会溢出
    printf("small_num: %u\n", wu.small_num);
    return 0;
}

五、扩展知识

5.1 柔性数组成员

用于动态数组：

struct Array {
    int len;
    int data[];  // 柔性数组成员
};
// 动态分配：
struct Array* arr = malloc(sizeof(struct Array) + 10*sizeof(int));

5.2 结构体与枚举的结合

typedef enum { MALE, FEMALE } Gender;

struct Person {
    char name[20];
    Gender sex;
};

5.3 结构体常用操作

• 结构体比较：逐个成员比较
• 结构体复制：使用memcpy()或直接赋值（C99 支持）
• 结构体打印：自定义格式化输出函数

六、常见问题解答

1. 结构体可以包含自身类型吗？

   • 不能直接包含，但可以包含指针（自引用）

2. 内存对齐会浪费空间吗？

   • 是的，但这是空间与时间的权衡，现代编译器会优化

3. 位段能跨字节边界吗？

   • 取决于编译器，可能导致不可移植性

七、总结

结构体是 C 语言中最重要的复合数据类型之一，掌握内存对齐规则和位段技术能显著提升程序性能。在实际开发中，应根据场景选择合适的结构体设计方式，同时注意跨平台兼容性问题。