C语言自定义类型【结构体】详解，【结构体内存怎么计算】 详解 【热门考点】：结构体内存对齐

引言

        详细讲解什么是结构体，结构体的运用，

        详细介绍了结构体在内存中占几个字节的计算。

        【热门考点】：结构体内存对齐

        介绍了：结构体传参

一、什么是结构体？

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。

二、结构的声明 

结构体原型：

struct tag
{
	member - list; //成员变量，可以有多个不同类型
}variable - list; //可以创建结构体变量

列如：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

}; //分号不能丢

三、结构体变量的创建和初始化 

1.按照结构体成员的顺序初始化

2.按照指定的顺序初始化

参考代码：

#include<stdio.h>

struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号

}; //分号不能丢

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;
}

 四、结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

如：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

        会发现没有结构体类型的名字，这时合法的，但是匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次。 

 如：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*p;

观察这段代码，结构体类型是一样的，两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。那么是不是可以这样呢？

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。 

五、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，那么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;
};

注意注意：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

如：

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

这段代码是错误的，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;

六、计算结构体的大小。

首先得掌握结构体的对齐规则：

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。

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。

 举几个例子（这里使用的是VS2022编译器）：

代码一：

#include<stdio.h>
struct S1
{
    char c1;  //1
    int i;    //4
    char c2;  //1
};

int main()
{
    struct S1 s1;

    printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

分析：S1  

  因为：“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”

                  所以：char c1 占第一个字节

                因为：

                        “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 ”

        所以：     int i 是4个字节，比 8 小，所以要对齐到4的整数倍，所以要从4位置开始存放（看上面的图，前面刚好4个字节），占4个字节。

                char c2 是 1 个字节，比8小，所以要对齐到1的整数倍，所以接着从8位置开始存放就可以了。占一个字节。

        因为：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。

        所以：在S1中最大对齐数是4，所以结构体的总大小为4的整数倍，8位置实际上是9个字节，因为下标是从0开始的，所以向下找，在11位置的时候，结构体的大小是12个字节，是4的整数倍。所以：结构体的大小是12个字节。

代码二： 

struct S2
{
    char c1;//1
    char c2;//1
    int i;//4
};
int main()
{
    struct S2 s2;

    printf("%zd\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

先自己画画草图，试着自己分析一下结构体占多少个字节。

 分析S2 ：

按照上面的对齐规则：

        char c1 占从第一个字节开始存

        char c2 是1 个字节，和8相比，比8小，所以要对齐到1的整数倍，所以存在1位置即可。

        int i是4个字节，和8相比，比8小，所以要对齐到4的整数倍，所以从4位置开始存放。（看上面的图）

        在S2中最大对齐数是4，所以结构体的总大小为4的整数倍，从 0 到 7 正好是4 的整数倍，所以： 结构体S2的大小为8个字节。

代码三：

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};

int main()
{
    struct S3 s3;

    printf("%zd\n", sizeof(struct S3));

	return 0;
}

 还是：先自己画画草图，试着自己分析一下结构体占多少个字节。 

分析 S3：

按照上面的对齐规则：

        double  d 从第一个字节开始存，占8个字节。

        char c 是1 个字节，和8相比，比8小，所以要对齐到1的整数倍，所以存在8位置即可。

        int i是4个字节，和8相比，比8小，所以要对齐到4的整数倍，所以从12位置开始存放。（前面是12个字节，正好是4的整数倍）

        在S2中最大对齐数是4，所以结构体的总大小为4的整数倍，从 0 到 15 正好是4 的整数倍，所以： 结构体S3的大小为16个字节。

 代码四（有结构体类型）：

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3; //嵌套的结构体成员
    double d;
};
int main()
{
    struct S4 s4;
    printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

 还是：先自己画画草图，试着自己分析一下结构体占多少个字节。

分析S4： 

按照上面的对齐规则：

        char c1 占从第一个字节开始存，占一个字节。

        struct S3 s3 是16个字节 ，和 8 相比，比8大，所以要对齐到8的整数倍，从位置8开始存（前面从0 到 7是8个字节），占16 个字节。

       double d 是8个字节，和 8 相比，一样大，所以要对齐到 8 的整数倍，位置24是8的整数倍（前面是24个字节），所以从24开始存，占8个字节

        在S2中最大对齐数是8，所以结构体的总大小为8的整数倍，从 0 到 31 正好是 8 的整数倍，所以： 结构体S4的大小为32个字节。

2 为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是这样说的：

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;
};

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.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()
{
	//输出的结果是什么？


	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

七、结构体传参 

可以分为：结构体传参

                结构体地址传参

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;
}

上面的 printf1和printf2 哪个好呢？

答案是：首选print2函数。

原因：

        1.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。

        2.传递⼀个结构体对象的时候，会再拷贝一个结构体出来，不能对原来的结构体做修改，如：对结构体的初始化的时候，只能使用传地址调用。（看情况而定）

结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。