C语言结构体（用户自定义数据类型）

admin 管理员组

文章数量: 888526

C语言结构体（用户自定义数据类型）

目录

1.结构体设计

1.1结构体类型的基本形式

1.2结构体设计进阶形式

2.结构体的使用（成员变量访问）

2.1结构体变量

2.1.1结构体变量的初始化

2.1.2结构体变量的成员变量的访问（ ”. “ 成员访问符）

2.2结构体指针

2.2.1结构体指针初始化

2.2.2指向结构体成员运算符 “->”

2.2.3结构体指针重命名

3.结构体与数组的结合

3.1结构体数组

3.2指向结构体数组的指针 

4.结构体大小

 扩展：

---

        在C语言中有多种基本数据类型（内置数据类型）（如char、int、float等）。在一般的程序中，我们总使用这些被设定好的数据类型来定义变量使用。但是这些变量除非我们主观给它们赋予联系，要不然它们都是相互独立、无内在联系的。但是在实际生活中，很多数据是有联系的、成组出现的。例如，一个人有姓名，年龄，性别，手机号等。如果我们将姓名、年龄、性别和手机号这四个数据存储在四个变量中，这四个变量在系统中没有任何联系，无法将这些数据联系起来。所以人们想要把这些数据保存为一个组合的数据，在一个变量中储存多个数据，方便使用。

        所以，C语言允许用户自己建立由不同数据类型组成的组合型数据结构，就是结构体。结构体的成员变量在内存中存储地址连续。

1.结构体设计

1.1结构体类型的基本形式

struct 结构体名{成员列表;//属性
};

         这就是结构体类型的一般形式，”struct 结构体名” 合起来就是自定义的结构体类型，如int型，我们在声明一个int型变量a时使用 int  a，如果我们想声明一个结构体变量b就用 struct 结构体名  b 。

        成员列表里就是我们想组合存储在一起的各个类型的数据的声明。如我们要设计一个Student结构体类型保存学生的信息，其中包含姓名（字符串型）、年龄（int型）和成绩（int型）。

strcut Student{char name[10];//10字节 数组 存放字符int age;//4字节int score;//4字节
};

        但是由于每个人的姓名长短不一，尤其可能有少数民族的学生名字特别长，字符数组的长度得随之而变。所以为了避免使用字符数组存储姓名占用内存过大，或数组长度不够的问题，人们常使用指针来存储姓名字符串。（ 用指针来存储姓名字符串就是系统先确认内存中有没有这个字符串，如果有的话，就将这个字符串的地址返回给指针，如果没有的话，就将这个字符串存入内存数据区，然后将这个字符串的地址返回给指针。这既不会浪费，也不用担心数组长度不够。）

strcut Student{const char *name;//4字节 指针 指向常量字符串int age;//4字节int score;//4字节
};

1.2结构体设计进阶形式

        如上面，我们设计好了一个Student结构体类型，如果我们想一个结构体型变量stu需要使用代码struct Student stu,这比较麻烦，struct看起来十分多余，所以我们可以使用关键字typedef，将结构体类型struct Student 重命名为student，这样用student就可以声明一个struct Student型变量，使用起来就很方便。

typedef struct Student student;//类型重命名
student stu1;//声明一个struct Student型变量

         可以将结构体设计与结构体类型重命名组合起来，就是如以下形式：

typedef struct Student {//合并const char* name;int age;int score;
}student;    //重命名为student

2.结构体的使用（成员变量访问）

2.1结构体变量

2.1.1结构体变量的初始化

        结构体变量的定义可以通过 结构体类型 变量名 = { 成员数据，成员数据，......} 进行。如：

student stu1 = { "张三",10,100 };
//等价于struct Student stu1 = { "张三",10,100 };

        赋值的操作如上，与普通类型变量一样 。如 stu1 = { "李四",10,10 }; 。 

        假设，现在struct Student结构体类型没有被重命名，结构体的设计，变量声明和初始化就能合并在一起。如：

struct Student {const char* name;int age;int score;
}stu = { "zs",9,10 };

        因为在结构体类型重命名时的student与此时的变量stu处于同一部位，所以不能在重命名时同时完成变量的定义。

2.1.2结构体变量的成员变量的访问（ ”. “ 成员访问符）

        结构体变量的成员变量通过成员访问符"."来访问，格式：结构体变量名.成员变量名 。例如要查看的变量stu的姓名、年龄和成绩：

typedef struct Student {const char* name;int age;int score;
}student;int main() {student stu = { "张三",9,10 };printf("%s,%d,%d\n", stu.name, stu.age, stu.score);
}

 

        也可以对变量值进行修改：stu.age = 10; stu.score = 11; 

2.2结构体指针

2.2.1结构体指针初始化

        结构体数据类型也有指针，其大小也只与操作系统有关（32位系统，4字节大小；64位系统8字节大小）。结构体指针指向结构体变量，先解引用，再通过成员运算符进行访问。如：

struct Student stu = { "张三",9,10 };
struct student *p = &stu;//以变量地址对指针进行初始化printf("%s,%d,%d", (*p).name, (*p).age, (*p).score);

 

        因为运算符“*”在执行解引用功能时的优先级，比结构体成员运算符“.”的优先级低，所以使用(*p).name 满足其访问操作的顺序。

2.2.2指向结构体成员运算符 “->”

        因为通过(*p).name的形式来访问结构体变量的成员变量十分麻烦，所以C语言为结构体指针专门提供了一个指向结构体成员运算符 “->”。这样就可以直接通过p->name的形式访问到变量stu的name。

2.2.3结构体指针重命名

        因为使用struct student *p 的形式来声明一个结构体指针p比较麻烦，使用也可以使用typedef关键字，将struct student *重命名为一个新的类型，如将struct student *重命名为PStu。这样就可以用PStu直接声明一个指针变量。如：

student stu = { "张三",9,10 };
typedef struct Student* PStu;
PStu p = &stu;

         然后，结构体类型指针的重命名也可以和结构体类型的重命名一样，与结构体的设计相结合：

typedef struct Student {const char* name;int age;int score;
}student,*PStu;
int main(){student stu = { "张三",9,10 };PStu p = &stu;
}

3.结构体与数组的结合

3.1结构体数组

         结构体类型与基本类型一样，也可以定义数组，用来存储结构体类型变量，数组的一个单元格保存一整个结构体变量。并且数组中变量个数也可以通过int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);计算。如：

student arr[] = { {"张三",9,10},{"李四",10,10} ,{"王五",10,11} };

3.2指向结构体数组的指针 

        如同普通数组，我们也可以使用相同类型指针指向数组，通过指针解引用访问数组中的结构体变量。指针变量保存着数组的首地址，指针变量每加一，指针向后偏移一个数组单元格大小（即结构体变量大小）的地址。再解引用，达到遍历整个数组。

student arr[] = { {"张三",9,10},{"李四",10,10} ,{"王五",10,11} };
int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
PStu p = arr;

        其访问形式有两种：(*(p + i)).name<=>(p + i)->name 。

 

4.结构体大小

        结构体变量的大小并不是我们想象的，将其成员变量所占字节大小加起来就是结构体的大小。因为CPU在读取内存时，不是按一个字节一个字节地读取的，这样太没有效率了，而是按照以2、4、8的倍数来读取的。（蓝色部分为个人理解，可跳过）

        并且我认为CPU在读取时，一次读取一个完整数据，或者多个完整数据，至少是同属于一个数据的一部分。不会将其他数据与一个数据的一部分一起读取，这样很没有规则（在深入了解了CPU与内存间的关系后应该会有更好的理解）。

        假设现在有char型a、int型b、long long型c在内存中连续存放着，这样只有CPU是按1字节1字节读取（上面说了不合理），或者读取的字节数大于这三个数据的总大小（如果数据特别多呢，难道每次要根据数据的实际情况来看如何读取数据吗）才能满足上面的条件。

        所以，在存储变量时，为了CPU的读写方便，系统会根据一些规则来存储数据。

        结构体变量在内存中的存储基本遵循以下三个规则（即内存对齐方式）（百度可知）：

        1. 结构体变量的首地址，必须是结构体变量中，最大基本数据类型的成员所占字节数的整数倍。

        2. 结构体变量中每个成员相对结构体首地址的偏移量，都是该成员基本数据类型所占字节数的整数倍，如不够整数倍会增添空格凑数到离其大小最近的整数倍。

        3. 结构体总大小为结构体变量中最大基本数据类型所占字节的整数倍，如不够整数倍会增添空格凑数到离其大小最近的整数倍。。

例如：

typedef struct Test1 {char a;//一字节short b;//两字节int c;//四字节
}test1;
typedef struct Test2 {short d;int e;char f;
}test2;
typedef struct Test3 {int g;long long h;//八字节short i;char j;
}test3;test1 t1; test2 t2; test3 t3;

        如果按我们原本的想法t1和t2都应该是7字节大小，t3是15字节。但并不是这样，我们会发现，t1是8字节大小，t2却是12字节大小，t3是24字节大小。

        验证：假设结构体变量的起始地址都是0x000。

         对于struct Test1：a在存储进内存时，其相对于其首地址的偏移量为0字节，是a的大小的整数倍，所以将a直接存入；b在存储进内存时，前方只有一字节大小的变量a，b相对于结构体首地址的偏移量才是1字节，不是b本身大小（2字节）的整数倍，为满足规则2，所以用一字节空格填补，此时再将b存入；c在存入内存时，前方有a和b，还有一字节空格，所以其偏移量为4字节，满足c本身大小的整数倍，所以将c直接接着存入。此时，结构体的总大小为8字节，结构体最大成员变量大小为4字节，满足规则3。所以结构体的大小为8字节。

         对于struct Test2：d在存入内存时，相对于结构体首地址的偏移量为0字节，所以d直接存入；e在存入内存时，因为此时前方只有变量d，e相对首地址的偏移量为2字节，不是e本身大小的整数倍，所以用2字节空格来填充，再将e存入；f在存入时，相对首地址的偏移量为8字节，所以将f直接存入。此时，结构体大小为9字节，不是最大成员变量e大小的整数倍，所以填充3字节空格。所以结构体大小为12字节，并且结构体中成员变量的顺序也会影响结构体总大小。

        对于struct Test3：g在存入内存时，相对于结构体首地址的偏移量为0字节，所以g直接存入；h在存入内存时，因为此时前方只有变量g，h相对首地址的偏移量为4字节，不是h本身大小的整数倍，所以用4字节空格来填充，再将h存入；i在存入时，相对首地址的偏移量为16字节，所以将i直接存入；j在存入时，相对首地址的偏移量为18字节，所以将j直接存入。此时，结构体大小为19字节，不是最大成员变量h大小的整数倍，所以填充5字节空格。所以结构体大小为24字节。

 扩展：

        其实，上述分析都是建立在Visual Studio平台的默认内存对齐是按8字节大小对齐的。假如我们将对齐方式修改为按4字节。则struct Test3的大小会发生改变。

#pragma pack(4)// #pragma pack(字节)  对齐方式开始 预处理指令typedef struct Test3 {int g;long long h;short i;char j;}test3;
#pragma pack()//对齐方式结束 预处理指令

         #pragma pack(字节) 为C语言设置内存对齐字节大小的预处理指令。为什么按4字节对齐的话，struct Test3大小变为16字节了呢？

        下面我画出唯一可能的对齐方式：

         它们成员变量本身的大小就有15字节了，所以只可能填充一个空格。并且，变量的顺序不能改变。

        1. 这个空格，没有理由出现在 g 之前、 h 和 i 之间，因为这样肯定会使 g 和 i 相对首地址的偏移量必然不是自身大小的整数倍，也和4字节没任何关系；

        2. 因为 j 的大小为1字节，所以存入 j 时肯定没必要在i和j之间填充空格；

        3. 如果空格填充在 g 和 h 之间，那 h 相对首地址的偏移量为5字节，这既不是4字节，也不是 h 本身大小8字节，并且还使 i 的偏移量变成13字节，还得在 h 和 i 之间填充空格，所以这个可能性也不存在。

        所以，这个空格只能是因为此时结构体大小是15字节，不够16字节，所以填充进去的。此时，16字节也是4字节的倍数。

        综上，我们进行分析：在存入 g 时，是按 g 相对首地址的偏移量为 g 本身大小（4字节）的0倍进行判断的；在存入 h 时，是按偏移量为4字节的1倍进行判断的；在存入 i 时，是按偏移量为 i 本身大小6倍或4字节的3倍进行判断的；在存入 j 时，是按偏移量为 j 本身大小的14倍进行判断的。

        所以，我们猜测在碰到成员变量比我们设定的4字节大时，按照4字节进行相对首地址的偏移量判断；碰到相等或小于4字节大小的成员变量时，按照成员变量的大小进行偏移量判断的；并且，当结构体成员中有比我们设定的4字节大的，结构体的总大小为我们设定的字节大小的整数倍。

        下来，我们就struct Test2对我们的猜想进行验证：

        当对齐方式为4字节时，test2中没有比4字节大的成员变量，所以test2的大小还是12字节。当对齐方式为2字节时，test21中有e为4字节，所以在存储 e 时，其相对首地址的偏移量为2字节，满足猜想，所以将e之间存储在 d 之后；直接存储 f ；再填充1字节空格，将结构体总大小补充为8字节，2的四倍。

#pragma pack(4)//将对齐方式修改为4字节typedef struct Test2 {short d;int e;char f;}test2;
#pragma pack()printf("%d\n", sizeof(test2));#pragma pack(2)//将对齐方式改为2字节typedef struct Test21 {//Test21与Test2完全相同short d;int e;char f;}test21;
#pragma pack()printf("%d\n", sizeof(test21));

 

         运行结果满足猜想，所以我们需要对结构体变量的存储规则进行修改（MIN表示{}中的最小值）：

        1. 变量首地址，必须是MIN{结构体最大基本数据类型,指定对齐方式}所占字节数的整数倍。
        2. 每个成员变量相对于结构体首地址的偏移量，都是MIN{该成员变量整数倍,指定对齐方式}.
        3. 结构体总大小为  MIN(结构体最大基本数据类型整数倍,指定对齐方式的整数倍}

        读者自己可以在编码过程中对修改后的规则进行验证。

本文标签： C语言结构体（用户自定义数据类型）