C语言：结构体
C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但在处理一些问题时只有这些内置类型还是不够的，假设我想描述学生，这时单一的内置类型是不行的。描述一个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等。C语言为了解决这个问题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型。
结构就是一些值的集合，这些值称为成员变量。和数组不同的是，结构的每个成员可以是不同类型的变量，如：标量、数组、指针，甚至是其他结构体。
一、 结构的声明
struct tag
{member-list;
}variable-list; 我们可以拿学生为例子演示一下：
struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
}; //分号不能丢二、结构成员访问操作符
1.结构体成员的直接访问
结构体成员的直接访问是通过点操作符（.）访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示：
#include <stdio.h>
struct Point
{int x;int y;
}p = {1,2};
int main()
{printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y);//1 2return 0;
} 使用方式：结构体变量.成员名
2.结构体成员的间接访问
有时候我们得到的不是一个结构体变量，而是得到了一个指向结构体的指针。如下所示：
#include <stdio.h>
struct Point
{int x;int y;
};
int main()
{struct Point p = {3, 4};struct Point *ptr = &p;ptr->x = 10;ptr->y = 20;printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);return 0;
} 使用方式：结构体指针->成员名
三、结构体变量的定义和初始化
struct Point
{int x;int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2一种是在结构体声明之后直接定义变量，另一种与内置类型变量的定义差不多，就是数据类型后加变量名来定义变量。
struct Stu //类型声明
{char name[15];//名字int age; //年龄
};
struct Stu s1 = {"zhangsan", 20};//初始化
struct Stu s2 = {.age=20, .name="lisi"};//指定顺序初始化
struct Node
{int data;struct Point p;struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化结构体变量的初始化有二种。第一种就是在定义变量时，后面接着按声明顺序直接对变量进行初始化。第二种就是通过结构体中的成员名来逐个进行初始化。
四、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;
}x;
struct
{int a;char b;float c;
}a[20], *p; 上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。在这个时候如果写上一句 p = &x;会怎么样呢？其实这样是不行的。因为对于 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。即便这两个匿名结构体的数据类型和变量名看上去一模一样，但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。
五、 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：
struct Node
{int data;struct Node next;
}; 上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？我们可以通过反证法得出这是不行的，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;struct Node* next;
}; 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，我们来看看下面的代码。
typedef struct
{int data;Node* next;
}Node;想想看这段代码可行吗？显然是不行的，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，编译器是不认识这个类型的，这是不行的。解决这个问题也很方便，定义结构体不要使用匿名结构体。
typedef struct Node
{int data;struct Node* next;
}Node;六、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;
} 看上去效果是一样的，但上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？答案是首选print2函数。
因为在函数传参的时候，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。所以在结构体传参的时候，一般采用传结构体的地址。
七、 结构体内存对齐
1. 对齐规则
我们首先看看结构体的对齐规则：
（1）结构体的第一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）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的成员中最大对齐数的整数倍处，结构
体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
接下来就来举几个例子：
#include <stdio.h>
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));//12return 0;
}
#include <stdio.h>
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S2));//8return 0;
}
#include <stdio.h>
struct S3
{double d;char c;int i;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S3));//16return 0;
}
#include <stdio.h>
struct S3
{double d;char c;int i;
};
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S4));//32return 0;
}
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。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，下面举个例子：
struct S1//12
{char c1;int i;char c2;
};
struct S2//8
{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。
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
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？printf("%d\n", sizeof(struct S));//6return 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。
八、结构体实现位段
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类型。（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;int _b:5;int _c:10;int _d:30;
}; A就是一个位段类型。那位段A所占内存的大小是多少？
#include <stdio.h>
struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct A));//8return 0;
}结果为什么是这样的呢？接下来我们看看位段的内存分配。
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。
位段的位指的是二进制的位，也就是一个比特位，那它是怎么存的呢？在演示之前还有两个重要的问题需要讨论：
（1）给定了空间后，在空间内部是从左向右使用，还是从右向左使用，这个是不确定的。在演示时我们假设从右向左。
（2）当剩下的空间不足以存放下一个成员的时候，空间是浪费还是使用，这个也不确定，在演示时我们假设浪费。
#include <stdio.h>
struct A
{char _a : 3;char _b : 4;char _c : 5;char _d : 4;
}s = { 0 };
int main()
{s._a = 10;s._b = 12;s._c = 3;s._d = 4;printf("%zd\n", sizeof(struct A));//3return 0;
}
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，如果写成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，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。
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. 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。
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。所以我们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。
#include <stdio.h>
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;
}