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【C语言】C语言结构体：从基础到高级特性

news 来源：原创 2025/4/26 19:07:39

前言

在C语言的世界里，结构体是一种强大而灵活的自定义数据类型，它能够将不同类型的数据组合在一起，形成一个逻辑上的整体。从简单的数据聚合到复杂的内存对齐优化，再到高效的位段操作，结构体在系统编程、嵌入式开发和算法实现中扮演着不可或缺的角色。本文将带你深入探索结构体的方方面面，从基础的声明和初始化，到高级的内存对齐和位段应用，帮助你掌握结构体的精髓，提升你的C语言编程能力。

一、结构体的声明与初始化

（一）结构体的声明

结构体是一种用户自定义的数据类型，它允许我们将不同类型的数据组织在一起。声明结构体的基本语法如下：

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

例如，我们可以声明一个表示学生的结构体：

struct Stu
{char name[20]; // 名字int age;       // 年龄char sex[5];   // 性别char id[20];   // 学号
};

（二）结构体变量的创建和初始化

结构体变量的创建和初始化可以通过以下两种方式完成：
按顺序初始化：按照结构体成员的顺序进行初始化。
指定初始化：通过指定成员名进行初始化，顺序可以任意。
以下是具体的代码示例：

#include <stdio.h>struct Stu
{char name[20]; // 名字int age;       // 年龄char sex[5];   // 性别char id[20];   // 学号
};int main()
{// 按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);// 按照指定的顺序初始化struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "女" };printf("name: %s\n", s2.name);printf("age : %d\n", s2.age);printf("sex : %s\n", s2.sex);printf("id : %s\n", s2.id);return 0;
}

（三）结构体的特殊声明

匿名结构体
在声明结构体时，可以省略结构体的标签（tag），这种结构体称为匿名结构体。例如：

struct
{int a;char b;float c;
} x;

然而，匿名结构体类型如果没有重命名，通常只能使用一次。例如，以下代码是非法的：

struct
{int a;char b;float c;
} a[20], *p;p = &x; // 错误：编译器会将两个结构体视为不同的类型

自引用结构体
结构体可以包含指向自身的指针，这在实现链表等数据结构时非常有用。例如：

struct Node
{int data;struct Node* next; // 正确的自引用方式
};

需要注意的是，结构体不能直接包含自身类型的成员，因为这会导致结构体大小无法确定。例如，以下代码是错误的：

struct Node
{int data;struct Node next; // 错误：会导致结构体大小无穷大
};

二、结构体内存对齐

结构体的内存对齐是一个非常重要的概念，它直接影响到结构体的大小和性能。内存对齐的规则如下：
第一个成员对齐：结构体的第一个成员对齐到结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
其他成员对齐：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。对齐数是编译器默认的对齐数与该成员变量大小的较小值。
结构体总大小：结构体的总大小为最大对齐数的整数倍。
嵌套结构体对齐：嵌套的结构体成员对齐到其成员中最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小是所有最大对齐数的整数倍。
（一）对齐规则示例
以下是一些练习示例，帮助你更好地理解内存对齐规则：

#include <stdio.h>// 练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};// 练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};// 练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};// 练习4 - 结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("sizeof(struct S1): %d\n", sizeof(struct S1)); // 输出结果：12printf("sizeof(struct S2): %d\n", sizeof(struct S2)); // 输出结果：8printf("sizeof(struct S3): %d\n", sizeof(struct S3)); // 输出结果：16printf("sizeof(struct S4): %d\n", sizeof(struct S4)); // 输出结果：32return 0;
}

在这里插入图片描述

（二）为什么存在内存对齐？
内存对齐的主要原因有两个：
平台原因：某些硬件平台只能在特定地址处访问特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。
性能原因：对齐的内存访问通常只需要一次内存操作，而未对齐的内存访问可能需要多次内存操作，从而降低性能。
（三）优化结构体内存对齐
为了优化结构体的内存使用，可以将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;
}; // 占用空间：12字节struct S2
{char c1;char c2;int i;
}; // 占用空间：8字节

（四）修改默认对齐数
可以通过 #pragma pack 预处理指令来修改编译器的默认对齐数。例如：

#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()
{printf("sizeof(struct S): %d\n", sizeof(struct S)); // 输出结果：6return 0;
}

三、结构体传参

结构体作为函数参数时，可以选择传递结构体本身或传递结构体的地址。传递结构体地址通常更高效，因为传递结构体本身会涉及到较大的内存拷贝开销。
（一）结构体传参示例

#include <stdio.h>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;
}

（二）性能分析
传递结构体地址通常比传递结构体本身更高效。因此，在实际编程中，建议优先使用结构体地址传参。

四、结构体实现位段

位段是一种特殊的结构体，它允许我们指定每个成员占用的位数。位段的声明类似于普通结构体，但在成员名后需要加上一个冒号和一个数字，表示该成员占用的位数。
（一）位段的声明

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

（二）位段的内存分配
位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int 或其他类型。位段的空间通常以4字节（int）或1字节（char）的方式分配。
（三）位段的跨平台问题
位段存在一些跨平台问题，例如：
符号问题：位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
位数限制：位段中最大位数不确定（16位机器最大16位，32位机器最大32位）。
内存分配方向：位段成员在内存中是从左向右分配还是从右向左分配，标准尚未定义。
位段的合并：当一个结构体包含两个位段，第二个位段成员较大，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。
（四）位段的应用
位段在某些场景下非常有用，例如在网络协议中，IP数据报的格式中很多属性只需要几个bit位就能描述。使用位段可以节省空间，减少网络传输的数据大小。
（五）位段的使用注意事项
位段的成员共享同一个字节，因此不能对位段的成员使用 & 操作符，也不能直接使用 scanf 给位段成员输入值。正确的做法是先将值存储在一个变量中，然后再赋值给位段成员。

#include <stdio.h>struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};int main()
{struct A sa = {0};// 错误：scanf("%d", &sa._b);// 正确的做法int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}