C语言 - 结构体

C 数组允许定义可存储相同类型数据项的变量，结构体是 C 编程中另一种用户自定义的可用的数据类型，它允许您存储不同类型的数据项。

结构体中的数据成员可以是基本数据类型（如 int、float、char 等），也可以是其他结构体类型、指针类型等。

结构体用于表示一条记录，假设您想要跟踪图书馆中书本的动态，您可能需要跟踪每本书的下列属性：

  • Title
  • Author
  • Subject
  • Book ID

 

1. 结构体的定义

结构体定义由关键字 struct 和结构体名组成，结构体名可以根据需要自行定义。

struct 语句定义了一个包含多个成员的新的数据类型，struct 语句的格式如下：

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

tag 是结构体标签。

member-list 是标准的变量定义，比如 int i; 或者 float f;，或者其他有效的变量定义。

variable-list 结构变量，定义在结构的末尾，最后一个分号之前，您可以指定一个或多个结构变量。下面是声明 Book 结构的方式：

struct Books
{
   char  title[50];
   char  author[50];
   char  subject[100];
   int   book_id;
} book;

在一般情况下，tag、member-list、variable-list 这 3 部分至少要出现 2 个。以下为实例：

//此声明声明了拥有3个成员的结构体，分别为整型的a，字符型的b和双精度的c
//同时又声明了结构体变量s1
//这个结构体并没有标明其标签
struct
{
    int a;
    char b;
    double c;
} s1;

//此声明声明了拥有3个成员的结构体，分别为整型的a，字符型的b和双精度的c
//结构体的标签被命名为SIMPLE,没有声明变量
struct SIMPLE
{
    int a;
    char b;
    double c;
};
//用SIMPLE标签的结构体，另外声明了变量t1、t2、t3
struct SIMPLE t1, t2[20], *t3;

//也可以用typedef创建新类型
typedef struct
{
    int a;
    char b;
    double c;
} Simple2;
//现在可以用Simple2作为类型声明新的结构体变量
Simple2 u1, u2[20], *u3;

在上面的声明中，第一个和第二声明被编译器当作两个完全不同的类型，即使他们的成员列表是一样的，如果令 t3=&s1，则是非法的。

结构体的成员可以包含其他结构体，也可以包含指向自己结构体类型的指针，而通常这种指针的应用是为了实现一些更高级的数据结构如链表和树等。

//此结构体的声明包含了其他的结构体
struct COMPLEX
{
    char string[100];
    struct SIMPLE a;
};

//此结构体的声明包含了指向自己类型的指针
struct NODE
{
    char string[100];
    struct NODE *next_node;
};

如果两个结构体互相包含，则需要对其中一个结构体进行不完整声明，如下所示：

struct B;    //对结构体B进行不完整声明

//结构体A中包含指向结构体B的指针
struct A
{
    struct B *partner;
    //other members;
};

//结构体B中包含指向结构体A的指针，在A声明完后，B也随之进行声明
struct B
{
    struct A *partner;
    //other members;
};

2. 结构体的初始化

和其它类型变量一样，对结构体变量可以在定义时指定初始值。

在C语言中，结构体的初始化可以通过多种方式进行。以下是一些常见的结构体初始化方

  1. 使用大括号{ } 进行初始化

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>


struct Student
{
	char *name;
	int age;
	float score;
};

int main()
{
	struct Student s = { "Tom", 18, 90.5f };
	printf("%s\t", s.name);
	printf("%d\t", s.age);
	printf("%f\t", s.score);

	system("pause");
	return 0;
}

 

  1. 使用结构体成员逐一赋值

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>


struct Student
{
	char *name;
	int age;
	float score;
};

int main()
{
	struct Student s;
	s.name = "Tom";
	s.age = 18;
	s.score = 90.5f;

	printf("%s\t", s.name);
	printf("%d\t", s.age);
	printf("%f\t", s.score);

	system("pause");
	return 0;
}

 

3. 访问结构体成员

为了访问结构的成员，我们使用成员访问运算符（.）。成员访问运算符是结构变量名称和我们要访问的结构成员之间的一个句号。您可以使用 struct 关键字来定义结构类型的变量。下面的实例演示了结构的用法：

实例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct Books
{
   char  title[50];
   char  author[50];
   char  subject[100];
   int   book_id;
};
 
int main( )
{
   struct Books Book1;        /* 声明 Book1，类型为 Books */
   struct Books Book2;        /* 声明 Book2，类型为 Books */
 
   /* Book1 详述 */
   strcpy( Book1.title, "C Programming");
   strcpy( Book1.author, "Nuha Ali");
   strcpy( Book1.subject, "C Programming Tutorial");
   Book1.book_id = 6495407;

   /* Book2 详述 */
   strcpy( Book2.title, "Telecom Billing");
   strcpy( Book2.author, "Zara Ali");
   strcpy( Book2.subject, "Telecom Billing Tutorial");
   Book2.book_id = 6495700;
 
   /* 输出 Book1 信息 */
   printf( "Book 1 title : %s\n", Book1.title);
   printf( "Book 1 author : %s\n", Book1.author);
   printf( "Book 1 subject : %s\n", Book1.subject);
   printf( "Book 1 book_id : %d\n", Book1.book_id);

   /* 输出 Book2 信息 */
   printf( "Book 2 title : %s\n", Book2.title);
   printf( "Book 2 author : %s\n", Book2.author);
   printf( "Book 2 subject : %s\n", Book2.subject);
   printf( "Book 2 book_id : %d\n", Book2.book_id);

   return 0;
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Book 1 title : C Programming
Book 1 author : Nuha Ali
Book 1 subject : C Programming Tutorial
Book 1 book_id : 6495407
Book 2 title : Telecom Billing
Book 2 author : Zara Ali
Book 2 subject : Telecom Billing Tutorial
Book 2 book_id : 6495700

 

4. 结构体作为函数参数

您可以把结构作为函数参数，传参方式与其他类型的变量或指针类似。您可以使用上面实例中的方式来访问结构变量：

实例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct Books
{
   char  title[50];
   char  author[50];
   char  subject[100];
   int   book_id;
};

/* 函数声明 */
void printBook( struct Books book );
int main( )
{
   struct Books Book1;        /* 声明 Book1，类型为 Books */
   struct Books Book2;        /* 声明 Book2，类型为 Books */
 
   /* Book1 详述 */
   strcpy( Book1.title, "C Programming");
   strcpy( Book1.author, "Nuha Ali");
   strcpy( Book1.subject, "C Programming Tutorial");
   Book1.book_id = 6495407;

   /* Book2 详述 */
   strcpy( Book2.title, "Telecom Billing");
   strcpy( Book2.author, "Zara Ali");
   strcpy( Book2.subject, "Telecom Billing Tutorial");
   Book2.book_id = 6495700;
 
   /* 输出 Book1 信息 */
   printBook( Book1 );

   /* 输出 Book2 信息 */
   printBook( Book2 );

   return 0;
}
void printBook( struct Books book )
{
   printf( "Book title : %s\n", book.title);
   printf( "Book author : %s\n", book.author);
   printf( "Book subject : %s\n", book.subject);
   printf( "Book book_id : %d\n", book.book_id);
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Book title : C Programming
Book author : Nuha Ali
Book subject : C Programming Tutorial
Book book_id : 6495407
Book title : Telecom Billing
Book author : Zara Ali
Book subject : Telecom Billing Tutorial
Book book_id : 6495700

 

5. 结构体数组

您可以定义指向结构体数组，方式与定义数组相似，如下所示：

struct Books Book1[3];

结构体数组初始化，如下所示：

	struct Books Book1[3] = {
		{"c语言","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495407},
		{"C++","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495408},
		{"计算机","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495409},
	};

实例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct Books
{
	char title[50];
	char author[50];
	char subject[100];
	int book_id;
};

/* 函数声明 */
void printBook(struct Books* book,int length);

int main()
{
	struct Books Book1[3] = {
		{"c语言","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495407},
		{"C++","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495408},
		{"计算机","Nuha Ali","C Programming Tutorial",6495409},
	};

	printBook(Book1,3);

	return 0;
}

void printBook(struct Books * book,int length)
{
	for (int i = 0; i < length; i++)
	{
		printf("Book : %s,%d,%s,%s\n", book[i].author, book[i].book_id, book[i].subject, book[i].title);
	}
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

 

 

6. 结构体指针

您可以定义指向结构体的指针，方式与定义指向其他类型变量的指针相似，如下所示：

struct Books *struct_pointer;

现在，您可以在上述定义的指针变量中存储结构变量的地址。为了查找结构变量的地址，请把 & 运算符放在结构名称的前面，如下所示：

struct_pointer = &Book1;

为了使用指向该结构的指针访问结构的成员，您必须使用 -> 运算符，如下所示：

struct_pointer->title;

让我们使用结构指针来重写上面的实例，这将有助于您理解结构指针的概念：

实例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
 
struct Books
{
   char  title[50];
   char  author[50];
   char  subject[100];
   int   book_id;
};

/* 函数声明 */
void printBook( struct Books *book );
int main( )
{
   struct Books Book1;        /* 声明 Book1，类型为 Books */
   struct Books Book2;        /* 声明 Book2，类型为 Books */
 
   /* Book1 详述 */
   strcpy( Book1.title, "C Programming");
   strcpy( Book1.author, "Nuha Ali");
   strcpy( Book1.subject, "C Programming Tutorial");
   Book1.book_id = 6495407;

   /* Book2 详述 */
   strcpy( Book2.title, "Telecom Billing");
   strcpy( Book2.author, "Zara Ali");
   strcpy( Book2.subject, "Telecom Billing Tutorial");
   Book2.book_id = 6495700;
 
   /* 通过传 Book1 的地址来输出 Book1 信息 */
   printBook( &Book1 );

   /* 通过传 Book2 的地址来输出 Book2 信息 */
   printBook( &Book2 );

   return 0;
}
void printBook( struct Books *book )
{
   printf( "Book title : %s\n", book->title);
   printf( "Book author : %s\n", book->author);
   printf( "Book subject : %s\n", book->subject);
   printf( "Book book_id : %d\n", book->book_id);
}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Book title : C Programming
Book author : Nuha Ali
Book subject : C Programming Tutorial
Book book_id : 6495407
Book title : Telecom Billing
Book author : Zara Ali
Book subject : Telecom Billing Tutorial
Book book_id : 6495700

 

7. 结构体的大小计算

C 语言中，我们可以使用 sizeof 运算符来计算结构体的大小，sizeof 返回的是给定类型或变量的字节大小。

对于结构体，sizeof 将返回结构体的总字节数，包括所有成员变量的大小以及可能的填充字节。

以下实例演示了如何计算结构体的大小：

实例：

#include <stdio.h>

struct Person {
    char name[20];
    int age;
    float height;
};

int main()
{
    struct Person person;
    printf("结构体 Person 大小为: %zu 字节\n", sizeof(person));
    return 0;
}

以上实例中，我们定义了一个名为 Person 的结构体，它包含了一个字符数组 name、一个整数 age 和一个浮点数 height。

在 main 函数中，我们声明了一个 Person 类型的变量 person，然后使用 sizeof 运算符来获取 person 结构体的大小。

最后，我们使用 printf 函数打印出结构体的大小，输出结果如下：

注意，结构体的大小可能会受到编译器的优化和对齐规则的影响，编译器可能会在结构体中插入一些额外的填充字节以对齐结构体的成员变量，以提高内存访问效率。因此，结构体的实际大小可能会大于成员变量大小的总和，如果你需要确切地了解结构体的内存布局和对齐方式，可以使用 offsetof 宏和 __attribute__((packed)) 属性等进一步控制和查询结构体的大小和对齐方式。

 

8. 结构体的内存对齐

        上篇已经讲述了结构体的基本使用，现在来深入探究下一个问题：计算结构体的大小。这个问题也会经常出现在各个大厂的笔试题目中，即——结构体对齐。

        话不多说。直接在下面的代码中感受下：

int main()
{
	//练习1
	struct S1
	{
		char c1;
		int i;
		char c2;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	//练习2
	struct S2
	{
		char c1;
		char c2;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0；
}

  盆友们，对于练习1和练习2的的答案是多少呢？

        相信刚接触的铁子们肯定觉得s1和s2的长度都是6吧（32位系统中）。这很简单呀，s1和s2里面都是char char int  三个变量类型，为 1 1 4。所以加起来是6咯。这有啥难的。

        其实，非也。咱们调试起来瞧瞧看。

  是 12 和 8……两个结构体我们只是调整了顺序但是它们的内存大小却截然不同，这就是因为内存对齐。

        为啥会这样呢？

        12 和 8 这个答案是不是说明了s1和s2里面的数据居然不是挨着存的（如果是挨着的，就是6），显然之间存了空白的东西。

        既然结构体里面存了空白的位置，那么不妨试试看，结构体内两个变量之前到底相隔多少空白位。

        这里用到offsetof函数：

        这个函数是用来计算结构体成员相对于结构体起始位置的偏移量。（不理解没关系，下面会有图解。）

        函数的用法可以参考：(30条消息) C语言中 offsetof 的使用_Npgw的博客-CSDN博客_offsetof头文件

        （随便找的，我真贴心！！！）

        话不多说，请看代码  ：

int main()
{
	//练习1
	struct S1
	{
		char c1;
		int i;
		char c2;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1,c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
	printf("\n");
	//练习2
	struct S2
	{
		char c1;
		char c2;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, c2));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, i));
    return 0；
}

答案：

对于s1:

        c1相对与起始位置偏移量是0个字节

        i相对与起始位置的偏移量是4个字节

        c2相对与起始位置的偏移量是8字节

 

对于s2：

        c1相对与起始位置的偏移量是0个字节

        c2相对与起始位置的偏移量是1个字节

         i相对与起始位置的偏移量是4个字节

 

 

  那么关于s1和s2怎么存储的，我们就弄清楚了，那么这样存的依据是什么，按照怎样的规则来存结构体呢？

    接着往下看……

 

8.1 结构体对齐规则四步走

        1.第一个结构体成员在结构体变量的偏移量为0的地址处

        2.其他成员变量要对齐某个数字（对齐数）的整数倍的地址处

注意：

        对齐数是编译器默认的一个对齐数和改结构体成员变量大小的最小值。

        比如，VS的默认对齐数是8个字节 加入结构体中又int ，那么int就要存到偏移量为4的整数倍的地址处。但是注意的是，Linux系统下不设置对齐数，对齐数字就是结构体成员自身的大小。

        3.结构体总大小为最大对齐数（可能每个成员都有自己的对齐数，找个最大的）的整数倍。

        4.特殊情况：如果结构体嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍地址处，结构体整体大小就是所有最大对齐数（包含嵌套结构体）的整数倍数。

为了方便理解，再举个例子：

//练习3
int main()
{
	struct S3
	{
		double d;
		char c;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	//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));
 
	return 0;
}

直接用上述规则：

看图（！！！）：

s3:

s4:

 详细分析：

        对于第一步，用规则1，直接存。

        第二步，struct s3 s3  里面的最大对数是8，所以存偏移量为8的整数倍的的地址处，存16个字节。

        第三步，d的存法如同第二步，也是在8的整数倍开始存（偏移量24地址处）

        第四步，看看结构体整体大小是不是最大对齐数的整数倍，对于练习4刚好是的（32字节），所以不需要补空白位置，假如s4存完之后发现只有30个字节，那么需要在30后面补充两个空白位置，到32（这样才是8的倍数）。

8.2 为什么要进行结构对齐

        其实并没有一个官方的说法，但是从大部分的资料上来看，存在内存对齐是出于以下两个考量。

1.平台原因：

        不是所有的硬件平台都能够访问任意地址上的任意数据，某些平台只能在某些地址取出某种特定类型的数据，否则会出现硬件异常。

2.性能原因：

        数据结构（尤其是栈区）应该尽可能的在自然边界上对齐。（感觉咯不懂是吧，没关系，看图）。原因在于，为了访问未对齐的数据，处理器需要两次访问，二对齐的数据只需要一次访问。


  计算机访问数据要么是按照4个字节来访问，要么是按照八个字节来访问，假设某计算机按照四个字节访问数据

 

        因此，结构体的内存对齐是用空间来换取时间的策略，虽然所占空间大了，但是访问用的时间却短了很多。

        那么怎样设计结构体既能够满足对齐的要求，又满足节省空间呢？

        看看前面的 struct s1 和struct s2 ,明明存的东西一样，但是后者的内存小。

        所以，对于结构体内部成员，相同变量类型的尽量相邻，这样设计的结构体占的空间会相对小一点。

 

8.3 修改默认对齐数

        当然对齐数字，也是能过够修改的

#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


————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「待己以诚」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。

原文链接：https://blog.csdn.net/luoheng1114/article/details/127106154

 

 

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