结构体基础

结构体就是一些成员的集合，结构体的每一个成员可以是整型、数组、指针、结构体等不同的类型。

下面是一个简单的结构体结构，包含了类型声明struct Stu、成员、结构体变量s1的声明。

struct Stu {  //类型
	//成员
	char name[20];
	int age;
	char sex[10];
}s1; //结构体变量

我们可以像上面那样声明一个结构体变量，也可以像下面这样单独声明。

struct Stu s2;

struct是结构体关键字，Stu是结构体标志，两者构成了结构体类型。上面的语句表示为struct Stu类型的结构体声明了一个变量s1。下面是对s1的赋值操作，可以在声明结构体变量的时候直接赋值。

struct Stu s1 = { "panghutx",20,"male" };

在声明结构体时，我们可以对结构体不完全声明。

struct{
    int a;
    char b;
    double c; 
} a;
struct{
    int a;
    char b;
    double c; 
} *P;

以上就不完全声明了两个结构体，我们称之为匿名结构体类型。结构体变量a和*p具有相同的成员，但它们是两个完全不同的类型。当我们尝试如下代码时，会出现警告。

*p = &a;

说到结构体，我们难免提到一个关键字typedef,用于定义新的类型（或类型重命名）。我们在学习链表时可能会看到这样的结构，下面这段代码是对struct Node重命名为Node.而且还在结构体中引用了自己。

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

切记在结构体自引用时不要使用匿名结构体，否则就是在定义新类型的时候引用了新类型，这是错误的。

再看下面的写法，定义了两个新类型，Node和*pNode，Node我们已经知道是对struct Node进行重命名，而*pNode是对struct Node*的重命名。

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

结构体内存对齐

结构体的大小不是单纯的各元素相加，因为主流计算机使用的是32bit字长的CPU，那么取4个字节数要比1个高效，所以结构体存在内存对齐。每个编译器都有自己的对齐系数，程序员也可以通过预编译命令来改变默认对齐数。

#pragma pack(n) //n为修改的对齐系数

对齐规则：

①首个成员放在0ffset（偏移量）为0的位置，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 该成员大小的较小值。

②结构体总大小为各元素最大对齐数的整数倍。

举个例子，计算下面结构体的大小是多少。

struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};

假设编译环境默认4字节对齐。

c1是结构体首个元素，直接放到偏移量为0的位置，占1个字节；i自身大小为4字节，默认对齐4字节，因此对齐数就是四字节，将其放到对齐数整数倍的位置，也就是4偏移量的位置。c2自身大小1字节，默认对齐数4，因此对齐数是1，将其放到对齐数整数倍的位置，也就是int的后面。

0~8偏移量，那么该结构体为9个字节，对吗？别忘了规则②，结构体总大小是各元素最大对齐数的整数倍。结构体内最大对齐数的元素是int，对齐数是4，9不是4的整数倍，再开辟3个字节。

综上该结构体大小为12字节。

结构体位段

c语言允许在一个结构体中以位为单位来指定成员长度，利用位段能够节约空间。

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};

A就是1个位段，它的大小为8个字节，想知道为什么是8个字节，要知道它的内存分配。

• 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

调试下面代码，我们可以看一下空间是如何开辟的。

struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

我在vs2019环境下调试，和vs2013结果一样。先开辟一字节，从低位开始存数据，存不下时舍弃剩余位，再开辟一字节空间。

以上存储方式只能代表vs环境下，其他环境不确定。要知道，位段的内存分配与内存对齐的实现方式依赖于具体的机器和系统，在不同的平台可能有不同的结果，这导致了位段在本质上是不可移植的。

1. 内存对齐方式

虽然所有的变量最后都会保存在特定地址的内存中，但相应的内存空间必须满足内存对齐的要求。主要出于两个方面的原因：
(1) 平台原因：
不是所有的硬件平台(特别是嵌入式系统中使用的低端处理器)都能访问任意地址上的任意数据，某些硬件平台只能访问对齐的地址，否则会出现硬件异常。
(2) 性能原因：
如果数据存放在未对齐的内存空间中，则处理器访问变量时需要做两次内存访问，而对齐的内存访问仅需一次访问。

在32位微处理器中，处理器访问内存都是按照32位进行的，即一次读取或写入都是4个字节，比如地址0x0~0xF这16字节的内存，对于微处理器来说，不是将其看做16个单一字节，而是4个块，每块4个字节。如下图

显然，只能从0x0、0x4、0x8、0xC等地址为4的整数倍的内存中一次取出4个字节，并不能从任意地址开始一次读取4个字节。假定将一个占用4个字节的int类型的数据存放在地址0开始的4字节内存中，其示意图如下

由于int类型数据存放在块0中，因此CPU仅需一次内存访问即可完成对该数据的读取或写入。反之，如果将int类型数据存放在地址1开始的4字节内存空间中，其示意图如下

此时，数据存放在块0和块1两个块中，若要完成对该数据的访问，必须经过两次内存访问，先访问块0得到数据的3个字节，再通过访问块1得到该数据的1个字节，最后通过运算，将这几个字节合并为一个完整的int型数据。由此可见，若数据存储在未对齐的内存空间中，将大大降低CPU的效率。但在某些特定的微处理器中，它根本不愿意干这种事情，这种情况下，就出现系统异常，直接崩溃了。

2. 结构体的存储

我们知道，数组是相同类型有序数据的集合，但很多时候需要将不同类型的数据捆绑在一起作为一个整体对待，使程序设计更方便。在C语言中，这样一组数据被称为结构体。其内存对齐的规则如下：
(1) 结构体各个成员变量的内存空间的首地址必须是“对齐系数”和“变量实际长度”中较小者的整数倍。“对齐系数”是【#pragma pack指定的数值】、【未指定#pragma pack时，系统默认的对齐模数（32位系统为4字节，64位为8字节）】。假设要求变量的内存空间要求按照4字节对齐，则内存空间的首地址必须是4的整数倍，满足条件的地址为0x0, 0x4, 0x8, 0xC…
(2) 对于结构体，在其各个数据成员都完成对齐后，结构体本身也需要对齐，即结构体占用的总大小应该为“对齐系数”和“最大数据成员长度”中较小值的整数倍。

如下的结构体，在32位机器上编译，其成员数据的总长度为4+2+3+4+1+8 = 22(字节)

#pragma pack(4)
struct TEST
{
    long a;         //4
    short b;        //2
    char c[3];      //3
    float d;        //4
    char e;         //1
    double f;       //8
}test;

有如下的测试程序

int main(void)
{
    short len = sizeof(test);
    printf("test length is %d.\n", len);
    return 0;
}

下面是输出结果，结果表明结构体占用28个字节的内存，大于22字节。

其实，正是由于内存对齐的原因造成了这种现象，下图是每个变量在内存的分布图，其中空白部分是内存弃用部分，这些浪费空间的前面，存放的都是char型数据，由于char型数据只占用一个字节，往往使得其紧接着的空间不能被其它长度更长的数据使用。

为了降低内存浪费的概率，应该在char型数据之后，存放长度较小的成员。即在定义结构体时，应该按照长度递增的顺序依次定义各个成员。优化后的实例代码为

#pragma pack(4)
struct TEST
{
    char e;         //1
    char c[3];      //3
    short b;        //2
    long a;         //4
    float d;        //4
    double f;       //8
}test;

运行测试程序，输出结果为

可见，通过调整结构体的成员顺序，达到了优化内存的目的。各个成员变量在内存中的分布图为

结构体只浪费了2个字节的空间，内存使用率达到92%。显然通过优化结构体成员的定义顺序，在同样满足内存对齐的要求下，可以大大减小内存的浪费。