【C语言】结构体的定义与使用

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C语言结构体的定义与使用

一、结构体

一、结构体

1、结构体基本概念

$\quad$ C语言提供了众多的基本类型，但现实生活中的对象一般都不是单纯的整型、浮点型或字符串，而是这些基本类型的综合体。比如一个学生，典型地应该拥有学号（整型）、姓名（字符串）、分数（浮点型）、性别（枚举）等不同侧面的属性，这些所有的属性都不应该被拆分开来，而是应该组成一个整体，代表一个完整的学生。
在C语言中，可以使用结构体来将多种不同的数据类型组装起来，形成某种现实意义的自定义的变量类型。结构体本质上是一种自定义类型。
结构体的定义：

struct 结构体标签 { 
    成员1; 成员2; ... };

语法：
- 结构体标签：用来区分各个不同的结构体。
- 成员：是包含在结构体内部的数据，可以是任意的数据类型。

// 定义了一种称为 struct node 的结构体类型 struct node { 
    int a; char b; double c; }; int main() { 
    // 定义结构体变量 struct node n; }

2、结构体初始化

$\quad$ 结构体跟普通变量一样，涉及定义、初始化、赋值、取址、传值等等操作，这些操作绝大部分都跟普通变量别无二致，只有少数操作有些特殊性。这其实也是结构体这种组合类型的设计初衷，就是让开发者用起来比较顺手，不跟普通变量产生太多差异。

结构体的定义和初始化。
- 由于结构体内部拥有多个不同类型的成员，因此初始化采用与数组类似的列表方式。
- 结构体的初始化有两种方式：①普通初始化；②指定成员初始化。
- 为了能适应结构体类型的升级迭代，一般建议采用指定成员初始化。

// 1，普通初始化 struct node n = { 
   100, 'x', 3.14}; // 2，指定成员初始化 struct node n = { 
    .a = 100, // 此处，小圆点.被称为成员引用符 .b = 'x', .c = 3.14 }

指定成员初始化的好处：
- 成员初始化的次序可以改变。
- 可以初始化一部分成员。
- 结构体新增了成员之后初始化语句仍然可用。

3、结构体成员引用

$\quad$ 结构体相当于一个集合，内部包含了众多成员，每个成员实际上都是独立的变量，都可以被独立地引用。引用结构体成员非常简单，只需要使用一个成员引用符即可：

结构体.成员 如： n.a = 200; n.b = 'y'; n.c = 2.22; printf("%d, %c, %lf\n", n.a, n.b, b.c);

结构体定义–示例代码：

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> /* 要求:把全班64个同学的信息存储起来,增删改查 一个同学的信息包含如下: 姓名 char name[20] 年龄 int age; 电话 char phone[12]; 家庭住址 char address[100]; 学校 char school[100]; 发明新的技术,叫做结构体,把分散的数据整合在一起(结构体里面的数据就打包成一个整体了),语法规则 struct 结构体的名字 { char name[20] int age; char phone[12]; char address[100]; char school[100]; }; struct 结构体的名字 stu; //int a; */ //定义一个学生结构体 struct student { 
    char name[20]; int age; char phone[12]; char address[100]; char school[100]; }; /* 要求1: 写法1如果顺序不一致,行不行? 不行 可以部分初始化,但是要求从上到下,不能跳跃 要求2: 写法2直接写name,行不行 -->不行 stu.name="马化腾"; 要求3: 写法3跟写法1好好对比 不按顺序 部分赋值 */ int main() { 
    //使用结构体 //写法1:  //struct student stu={"马云",18,""}; //我定义了一个学生结构体变量,名字叫做stu //写法2: // struct student stu; // strcpy(stu.name,"马化腾");  // stu.age=45; //写法3: linux内核源码比较常见 struct student stu={ 
    .school="北大", .age=19 }; return 0; }

4、结构体指针与数组

跟普通变量别无二致，可以定义指向结构体的指针，也可以定义结构体数组。

结构体指针：

struct node n = { 
   100, 'x', 3.14}; struct node *p = &n; // 以下语句都是等价的 printf("%d\n", n.a); printf("%d\n", (*p).a); printf("%d\n", p->a); // 箭头 -> 是结构体指针的成员引用符

结构体数组：

struct node s[5]; s[0].a = 300; s[0].b = 'z'; s[0].c = 3.45;

结构体定义的几种写法-示例代码：

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> /* 结构体定义的几种写法 */ //匿名结构体,没啥用,当成概念了解,不能用来定义变量(没有名字) // struct // { 
    // char name[20]; // int age; // char phone[12]; // char address[100]; // char school[100]; // }; //改进一下匿名结构体 typedef struct { 
    char name[20]; int age; char phone[12]; char address[100]; char school[100]; }stu; /* */ int main() { 
    //定义普通结构体 stu stu1; strcpy(stu1.name,"马化腾"); //定义结构体指针 stu *p=malloc(sizeof(stu)); //stu *p=&stu1; strcpy(p->name,"马云"); free(p); return 0; }

typdef给结构体类型以及指针取别名-示例代码：

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> /* 结构体定义的几种写法 */ // typedef struct student // { 
    // char name[20]; // int age; // char phone[12]; // char address[100]; // char school[100]; // }*stup; // 类比: typedef int *intp; // typedef struct student // { 
    // char name[20]; // int age; // char phone[12]; // char address[100]; // char school[100]; // }stu; //类比: typedef int zhengshu; //合并以上两种写法 typedef struct student { 
    char name[20]; int age; char phone[12]; char address[100]; char school[100]; }stu,*stup; int main() { 
    //以前定义结构体变量或者指针 //struct student stu; //struct student *p=malloc(sizeof(struct student)); //现在定义结构体变量或者指针 stu stu1; //普通结构体 strcpy(stu1.name,"马云"); stup p=malloc(sizeof(struct student)); //结构体指针 strcpy(p->name,"马化腾"); free(p); return 0; }

5、结构体的尺寸

(1)CPU字长

$\quad$ 字长的概念指的是处理器在一条指令中的数据处理能力，当然这个能力还需要搭配操作系统的设定，比如常见的32位系统、64位系统，指的是在此系统环境下，处理器一次存储处理的数据可以达32位或64位。
CPU字长的含义:

(2)地址对齐

$\quad$ CPU字长确定之后，相当于明确了系统每次存取内存数据时的边界，以32位系统为例，32位意味着CPU每次存取都以4字节为边界，因此每4字节可以认为是CPU存取内存数据的一个单元。
如果存取的数据刚好落在所需单元数之内，那么我们就说这个数据的地址是对齐的，
如果存取的数据跨越了边界，使用了超过所需单元的字节，那么我们就说这个数据的地址是未对齐的。
地址未对齐的情形：

地址已对齐的情形:

从图中可以明显看出，数据本身占据了8个字节，在地址未对齐的情况下，CPU需要分3次才能完整地存取完这个数据，但是在地址对齐的情况下，CPU可以分2次就能完整地存取这个数据。

总结：如果一个数据满足以最小单元数存放在内存中，则称它地址是对齐的，否则是未对齐的。地址对齐的含义用大白话说就是1个单元能塞得下的就不用2个；2个单元能塞得下的就不用3个。如果发生数据地址未对齐的情况，有些系统会直接罢工，有些系统则降低性能。

(3)普通变量的m值

$\quad$ 以32位系统为例，由于CPU存取数据总是以4字节为单元，因此对于一个尺寸固定的数据而言，当它的地址满足某个数的整数倍时，就可以保证地址对齐。这个数就被称为变量的m值。
根据具体系统的字长，和数据本身的尺寸，m值是可以很简单计算出来的。

举例(32为系统)：

char c; // 由于c占1个字节，因此c不管放哪里地址都是对齐的，因此m=1 short s; // 由于s占2个字节，因此s地址只要是偶数就是对齐的，因此m=2 int i; // 由于i占4个字节，因此只要i地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4 double f; // 由于f占8个字节，因此只要f地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4 printf("%p\n", &c); // &c = 1*N，即：c的地址一定满足1的整数倍 printf("%p\n", &s); // &s = 2*N，即：s的地址一定满足2的整数倍 printf("%p\n", &i); // &i = 4*N，即：i的地址一定满足4的整数倍 printf("%p\n", &f); // &f = 4*N，即：f的地址一定满足4的整数倍

注意，变量的m值跟变量本身的尺寸有关，但它们是两个不同的概念。
手工干预变量的m值：

char c __attribute__((aligned(32))); // 将变量 c 的m值设置为32

语法：
- attribute 机制是GNU特定语法，属于C语言标准语法的扩展。
- attribute 前后都是双下划线，aligned两边是双圆括号。
- attribute 语句，出现在变量定义语句中的分号前面，变量标识符后面。
- attribute 机制支持多种属性设置，其中 aligned 用来设置变量的 m 值属性。
- 一个变量的 m 值只能提升，不能降低，且只能为正的2的n次幂。

(4)结构体的M值

概念：
- 结构体的M值，取决于其成员的m值的最大值。即：M = max{m1, m2, m3, …};
- 结构体的地址和尺寸，都必须等于M值的整数倍。

struct node { 
    short a; // 尺寸=2，m值=2 double b; // 尺寸=8，m值=4 char c; // 尺寸=1，m值=1 }; // 11 struct node n; // M值 = max{2, 4, 1} = 4;

以上结构体成员存储分析：
1.结构体的M值等于4，这意味着结构体的地址、尺寸都必须满足4的倍数。
2.成员a的m值等于2，但a作为结构体的首元素，必须满足M值约束，即a的地址必须是4的倍数
3.成员b的m值等于4，因此在a和b之间，需要填充2个字节的无效数据（一般填充0）
4.成员c的m值等于1，因此c紧挨在b的后面，占一个字节即可。
5.结构体的M值为4，因此成员c后面还需填充3个无效数据，才能将结构体尺寸凑足4的倍数。
以上结构体成员图解分析：

结构体成员布局

结构体求大小-示例代码

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> /* 结构体求大小: 错误认识: 结构体大小=所有成员大小之和 正确的认识: 第一步： 找到结构体类型最大的成员(如果是数组,看类型，不是看整个数组) 类型最大的成员大于等于8字节--》整个结构体按照8字节对齐 类型最大的成员小于8字节--》整个结构体按照最大类型占用的字节数对齐 第二步： 从上到下依次往地址中存放成员(为了方便大家计算，我总结了方法，就从0地址开始存放) 存放的时候要求成员的首地址能够被成员类型大小整除 */ struct student //定义结构体的时候，顺便定义一个结构体变量stu，定义一个结构体指针stup { 
    char name[9]; int age; char phone[8]; char address[101]; char school[103]; }stu,*stup; //stu和stup都是变量名 struct m2 //第一步：确定了整个结构体依照2字节对齐(short最大) { 
    char c; short a; char b; }; struct m3 //第一步：确定了整个结构体依照8字节对齐  { 
    float a; char b; int c; char d[7]; double e; }; int main() { 
    // printf("结构体大小: %ld\n",sizeof(struct student)); //事实说话:验证彭老师讲的结构体大小对齐规则 //重点重点重点: 存放的时候要求成员的首地址能够被成员类型大小整除 // struct student stu; //打印所有成员变量的首地址 // printf("name 地址: %p\n",stu.name); // printf("age 地址: %p\n",&(stu.age)); // printf("phone 地址: %p\n",stu.phone); // printf("address 地址: %p\n",stu.address); // printf("school 地址: %p\n",stu.school); printf("结构体大小: %ld\n",sizeof(struct m2)); printf("结构体大小: %ld\n",sizeof(struct m3)); return 0; }

(5)可移植性整型

概念：不管放到什么系统，尺寸保持不变的整型数据，称为可移植性整型

关键：typedef

typedef int int32_t; // 将类型 int 取个别名，称为 int32_t typedef long long int64_t; // 将类型 long 取个别名，称为 int64_t

思路：
a.为所有的系统提供一组固定的、能反应数据尺寸的、统一的可移植性整型名称
b.在不同的系统中，为这些可移植性整型提供对应的 typedef 语句
系统预定义的可移植性整型：

int8_t char int16_t short int32_t int int64_t long long uint8_t unsigned char uint16_t unsigned short uint32_t unsigned int uint64_t unsigned long long pid_t time_t size_t ... ...

(6)可移植性

可移植指的是相同的一段数据或者代码，在不同的平台中都可以成功运行。

对于数据来说，有两方面可能会导致不可移植：
- 数据尺寸发生变化
- 数据位置发生变化

struct node { 
    int8_t a; int32_t b; int16_t c; };

以上结构体，在不同的的平台中，成员的尺寸是固定不变的，但由于不同平台下各个成员的m值可能会发生改变，因此成员之间的相对位置可能是飘忽不定的，这对数据的可移植性提出了挑战。
解决的办法有两种：

第一，固定每一个成员的m值，也就是每个成员之间的塞入固定大小的填充物固定位置：

struct node { 
    int8_t a __attribute__((aligned(1))); // 将 m 值固定为1 int64_t b __attribute__((aligned(8))); // 将 m 值固定为8 int16_t c __attribute__((aligned(2))); // 将 m 值固定为2 };

第二，将结构体压实，也就是每个成员之间不留任何空隙：

struct node { 
    int8_t a; int64_t b; int16_t c; } __attribute__((packed));

结构体中存放函数指针-示例代码：

#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> /* 结构体里面可以放函数指针,但是放函数定义 */ // struct student // { 
    // void study() // { 
    // printf("好好学习!\n"); // }; //错误的，结构体定义中不能存放函数 // int age; // }; void study() { 
    printf("好好学习!\n"); } void play() { 
    printf("玩游戏!\n"); } void watchcartoon() { 
    printf("看动漫,看电影!\n"); } //变通的做法 struct student { 
    //定义函数指针 void (*p)(); char name[20]; int age; }; int main() { 
    struct student stu1; stu1.p=study; strcpy(stu1.name,"易中天"); stu1.age=18; struct student stu2; stu2.p=play; strcpy(stu2.name,"马化腾"); stu2.age=19; struct student stu3; stu3.p=watchcartoon; strcpy(stu3.name,"迪斯尼"); stu3.age=20; printf("姓名: %s 年龄: %d 他的兴趣爱好!\n",stu1.name,stu1.age); (stu1.p)(); printf("姓名: %s 年龄: %d 他的兴趣爱好!\n",stu2.name,stu2.age); (stu2.p)(); return 0; }

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