1 结构体的声明

1.1 结构的基础知识

数组是一组相同类型值得集合，而结构也是一些值的集合，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。

1.2 结构的声明

struct tag
{
 member-list;
}variable-list;

struct是关键字
tag是结构体得标签，标明结构体是关于什么的
当前结构的声明，和int、double等一样只是一个类型
variable-list是利用这个结构体类型创建的变量
例子：

struct Stu
{
	//学生的相关属性
	char name[20];
	int age;
} s1,s2;//s1,s2是全局变量

int main()
{
	struct Stu s3;//s3是局部变量
	return 0;
}

1.3 特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。
就像下面的匿名结构体类型

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

struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}a[20], *p;

1、匿名结构体类型只能在声明时定义变量，下面就不能定义该类型的变量了（定义变量时就一个struct关键字，无法再定义）。
2、上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
虽然说他们内部的成员都一样，但是编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，所以当你使用p = &x;时，编译器会报警告。

1.4 结构的自引用

在数据结构中，我们常常要使用链表来解决一些问题，这里就引出了结构体自引用的概念
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？
在刚接触结构体时我们会认为结构体的自引用是下面的这种形式

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

其实这样是不行的，如果可以，那sizeof(struct Node)将是无穷大。
所以说正确的做法是下面的这种形式

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

通过定义结构体类型的地址来找到下一个结点，来实现链表才是可行的办法。

自身疑惑：
既然成员里struct Node能定义一个指针就说明这个结构体已经存在了，但是这个结构体的定义还需要内部的成员，那这个怎么理解呢？

解释：这里只是声明了这是一个结构体指针类型的变量，跟结构体类型还关系不大，实际上这时候结构体类型还没有定义完毕。这里只是说明这里有个指针变量，具体到用的时候需要你对它进行赋值，那时候类型才算定义完毕了.

再看下面的代码可行吗？

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

要想typedef匿名结构体为Node，就说明现在现在这个匿名结构体类型是存在的，存在才能定义。
而现在这个匿名结构体类型的成员Node* next；的Node还得需要你外边typedef定义好了我才能用，这就很矛盾，所以说这样不行。
正确处理方法：

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

当前struct Node已经被定义好了，外面的typedef也和你内部的成员没有任何关联。

1.5 结构体变量的定义和初始化

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1 = {2,3};//初始化：定义变量的同时赋初值。

struct score
{
	int n;
	char ch;
};

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	struct score s;//结构体嵌套定义
};

int main()
{
	struct Point p2 = { 3,4 };//定义结构体变量p2同时初始化
	struct Stu s1 = { "zhangsan", 20 , {100, 'q'}};//结构体嵌套初始化
	printf("%s %d %d %c\n", s1.name, s1.age, s1.s.n, s1.s.ch);
	return 0;
}

1.6 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。
现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小，这就需要引入结构体内存对齐这个概念了

如何计算？
首先得掌握结构体的对齐规则：
1、结构体第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2、其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的偏移量地址处。
对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员所占字节大小的较小值（VS编译器中默认的值为8）
3、最终结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
4、如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处（都往偏移量地址上对齐），结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

这里举两个例子：
例子1：

#include<stdio.h>
int main()
{
	struct S3
	{
		double d;
		char c;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

先分析double d，double d占8个字节VS编译器中默认的值为8，较小值为8并且结构体第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处，所以它所占的是0-7的偏移量地址，然后是char c，char c占一个字节VS编译器中默认的值为8，较小值为1，每个偏移量地址都是1的倍数那就放在8的位置，最后是int i与8相比的较小值为4，从8往后数，12正好是4的倍数，所以它所占的是12-15的偏移量地址。最后最终结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）也就是8的整数倍，从0-15正好16个字节是8的整数倍，所以最终答案就是16
在这里插入图片描述
例子2:

#include<stdio.h>
int main()
{
	struct S3
	{
		double d;
		char c;
		int i;
	};
	


	struct S4
	{
		char c1;
		struct S3 s3;
		double d;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

一个一个的看，char占一个字节与VS默认对齐数8相比较小值为1，放到0的偏移量地址处
struct S3 s3中三个成员的对齐数分别为8、1、4，最大对齐数为8，那就对齐到8的那个位置，struct S3 s3本身大小为16，从8开始往后数16个字节到23的位置，再往后double d;占八个字节与VS默认对齐数8相比较小值还是8，从23往后数24正好是8的倍数，把double d;占的就是24-31的位置。至此，char c1;，注意struct S3 s3是被嵌套的结构体，还要进到struct S3 s3里边找double d;
char c; int i;，double d;以上5个变量的最大对齐数为8，刚刚最后走到31的位置，从0-31正好32个字节，是8的倍数，即struct S4占32个字节。
在这里插入图片描述

为什么存在内存对齐?

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。

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。

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。

1.7 修改默认对齐数

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

#pragma pack(n)//设置
......
#pragma pack()//取消
//在这个范围内默认对齐数为n

结论：结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。

1.8 结构体传参

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 print1 和 print2 函数都能实现打印的效果，但哪个更好些？
答案是：首选print2函数。
原因：
函数传参的时候，参数是需要压栈，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。

2. 位段

2.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字(表示所占bit位的个数，并且不能超过前面的类型的bit位大小，int不能超过32，char不能超过8)。
3.位段只能在结构体里使用

2.2 位段的内存分配

位段的成员可以是 int 、unsigned int 、signed int 或者是 char （属于整形家族）类型
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。
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。

//一个例子
#include<stdio.h>

struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
int main()
{
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
return 0；
}
//空间是如何开辟的？

可以参照下面的这幅图，上面说到按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟空间，这里和明显都是char那就是一个字节一个字节的开辟空间，
先开辟一个字节，从高位来a要用到第一个字节的3个bit位，然后要往里放二进制10（1010），总共就三位你要放四位所以给你截断成010，
第一个字节还剩下5个bit位，b是12（1100）正好给它限制的4位能够放进去，现在第一个字节还剩下1个bit位，
下一次c需要5位bit位存放3（00011），第一个字节不够，那就再开辟一个字节来存放这5位（00011）
最后d需要4个bit位存放4（0100），第二个字节c用了5个bit位，还剩3个，不够4个，舍弃，再开辟一个字节，往高位存放0100
至此，所有数据就都存放进去了，二进制变16进制，4位4位往出拿就是
0110 0010(0x62）
0000 0011(0x03)
0000 0100(0x04)

在这里插入图片描述

2.3 位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
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。
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。
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。

总结：跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

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自定义类型——结构体

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