C/C++ 自定义类型：结构体

1.2 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

// 匿名结构体类型
struct {
    int a;
    char b;
    float c;
} s; // 可以在这初始化
// } s = {'x', 100.3, 14};

int main() {
    printf("%c %d %lf", s.c, s.a, s.b); // 注意成员名修正
    return 0;
}

匿名结构体也可以重新命名

typedef struct {
    char c;
    int i;
    double d;
} S;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。那么问题来了？

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。

1.3 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：

数据结构 – 其实是数据在内存中的存储和组织的结构。数据有多种。

线性数据结构：顺序表，链表，栈，队列。

顺序表 – 数组。

链表。

// 定义一个链表节点
struct Node {
    int data;
    struct Node next; // 错误示例
};

上述代码正确吗？如果正确，那 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;      // 数据
    struct Node* next; // 指针
};

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，看看下面的代码，可行吗？

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

答案是不行，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。

匿名结构体类型不能实现结构体的自引用。

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;

// 上述代码等价于下边代码
struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
};
typedef struct Node Node;

2. 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。

这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

2.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 结构体的第 1 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. 从第 2 个成员变量开始，都要对齐到某个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成员中最大对齐数的整数倍。

// 练习 1
struct S1 {
    char c1; // 1
    int i;   // 4
    char c2; // 1
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

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

// 练习 3
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));

2.2 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。

例如

struct S {
    char c; // 1
    int i;  // 4
};

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些区别。

2.3 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) // 设置默认对齐数为 1 一般是 2 的次方数 linux 中不能改
struct S {
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack() // 取消设置的对齐数，还原为默认

int main() {
    // 输出的结果是什么？6
    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。

3. 结构体传参

struct S {
    int data[1000]; // 4000 字节
    int num;
};

struct S s = {{1, 2, 3, 4}, 1000};

// 结构体传参
void print1(struct S s) // s 先拷贝，占用内存很大
{
    // for 循环打印数组
    printf("%d\n", s.num);
}

// 结构体地址传参
void print2(const struct S* ps) {
    printf("%d\n", ps->num);
    printf("%d\n", ps->data[i]);
}

int main() {
    print1(s); // 传结构体
    print2(&s); // 传地址
    return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？

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。

4. 结构体实现位段

4.1 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，在 C99 中位段成员的类型也可以选择其他整型家族类型，比如：char。
2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：

struct A {
    int _a: 2; // 只占两个 bit 位
    int _b: 5;
    int _c: 10;
    int _d: 30;
};

struct s {
    int _a; // 4 字节 32bit 可以节省 30 个字节
    int _b;
    int _c;
    int _d; // 00 0
            // 01 1
            // 10 2
            // 11 3
};

A 就是一个位段类型。

位段是专门用来节省内存的。

那位段 A 所占内存的大小是多少？

// %zd 8 字节
printf("%d\n", sizeof(struct A));

4.2 位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型。
2. 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。
3. 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
struct S {
    char a: 3;
    char b: 4;
    char c: 5;
    char d: 4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10; // 00001010
s.b = 12; // 00001100
s.c = 3;  // 00000011
s.d = 4;  // 00000100
// 空间是如何开辟的？

在这之前我们先要了解一下内存的使用顺序。

1. 申请到的一块内存中，从左向右使用，还是从右向左使用，是不确定的。VS 是从右向左。
2. 剩余空间，不是下一个成员使用的时候，是浪费呢？还是继续使用？VS 是浪费。

4.3 位段的跨平台问题

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
2. 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。）
3. 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。
4. 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，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

4.4 位段的应用

下图是网络协议中，IP 数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个 bit 位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

4.5 位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址，一个字节内部的 bit 位是没有地址的。

所以不能对位段的成员使用 & 操作符，这样就不能使用 scanf 直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

一个字节一个地址

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

int main() {
    struct A sa = {0};
    scanf("%d", &sa._b); // 这是错误的
    // 正确的示范
    int b = 0;
    scanf("%d", &b);
    sa._b = b;
    return 0;
}