詳細(xì)分析C語言中結(jié)構(gòu)體(struct)的使用

結(jié)構(gòu)體的定義

結(jié)構(gòu)體(struct)是由一系列具有相同類型或不同類型的數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集合，也叫結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)體和其他類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型一樣，例如 int 類型，char類型；只不過結(jié)構(gòu)體可以做成你想要的數(shù)據(jù)類型，以方便日后的使用。

在實(shí)際項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)體是大量存在的。研發(fā)人員常使用結(jié)構(gòu)體來封裝一些屬性來組成新的類型。由于C語言無法操作數(shù)據(jù)庫，所以在項(xiàng)目中通過對結(jié)構(gòu)體內(nèi)部變量的操作將大量的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，以完成對數(shù)據(jù)的存儲和操作。

在實(shí)際問題中有時(shí)候我們需要幾種數(shù)據(jù)類型一起來修飾某個(gè)變量。

例如一個(gè)學(xué)生的信息就需要學(xué)號（字符串），姓名（字符串），年齡（整型）等等。
這些數(shù)據(jù)類型都不同但是他們又是表示一個(gè)整體，要存在聯(lián)系，那么我們就需要一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型——結(jié)構(gòu)體，它就將不同類型的數(shù)據(jù)存放在一起，作為一個(gè)整體進(jìn)行處理。

結(jié)構(gòu)體在函數(shù)中的作用不是簡便，其最主要的作用就是封裝。封裝的好處就是可以再次利用。讓使用者不必關(guān)心這個(gè)是什么，只要根據(jù)定義使用就可以了。
結(jié)構(gòu)體的大小不是結(jié)構(gòu)體元素單純相加就行的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在主流的計(jì)算機(jī)使用的都是 32Bit 字長的 CPU，對這類型的 CPU 取 4 個(gè)字節(jié)的數(shù)要比取一個(gè)字節(jié)要高效，也更方便。所以在結(jié)構(gòu)體中每個(gè)成員的首地址都是4的整數(shù)倍的話，取數(shù)據(jù)元素時(shí)就會相對更高效，這就是內(nèi)存對齊的由來。

每個(gè)特定平臺上的編譯器都有自己的默認(rèn)“對齊系數(shù)”(也叫對齊模數(shù))。程序員可以通過預(yù)編譯命令 #pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16 來改變這一系數(shù)，其中的 n 就是你要指定的“對齊系數(shù)”。

規(guī)則

1、數(shù)據(jù)成員對齊規(guī)則：結(jié)構(gòu)(struct)(或聯(lián)合(union))的數(shù)據(jù)成員，第一個(gè)數(shù)據(jù)成員放在 offset 為 0 的地方，以后每個(gè)數(shù)據(jù)成員的對齊按照 #pragma pack 指定的數(shù)值和這個(gè)數(shù)據(jù)成員自身長度中，比
較小的那個(gè)進(jìn)行。

2、結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)的整體對齊規(guī)則：在數(shù)據(jù)成員完成各自對齊之后，結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)本身也要進(jìn)行對齊，對齊將按照#pragma pack指定的數(shù)值和結(jié)構(gòu)(或聯(lián)合)最大數(shù)據(jù)成員長度中，比較小的那個(gè)進(jìn)行。
3、結(jié)合1、2可推斷：當(dāng)#pragma pack的n值等于或超過所有數(shù)據(jù)成員長度的時(shí)候，這個(gè)n值的大小將不產(chǎn)生任何效果。

在C語言中，可以定義結(jié)構(gòu)體類型，將多個(gè)相關(guān)的變量包裝成為一個(gè)整體使用。在結(jié)構(gòu)體中的變量，可以是相同、部分相同，或完全不同的數(shù)據(jù)類型。結(jié)構(gòu)體不能包含函數(shù)。 在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，對象具有狀態(tài)（屬性）和行為，狀態(tài)保存在成員變量中，行為通過成員方法（函數(shù)）來實(shí)現(xiàn)。C語言中的結(jié)構(gòu)體只能描述一個(gè)對象的狀態(tài)，不能描述一個(gè)對象的行為。在C++中，考慮到 C 語言到 C++ 語言過渡的連續(xù)性，對結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了擴(kuò)展，C++的結(jié)構(gòu)體可以包含函數(shù)，這樣，C++的結(jié)構(gòu)體也具有類的功能，與 class 不同的是，結(jié)構(gòu)體包含的函數(shù)默認(rèn)為 public，而不是 private。


結(jié)構(gòu)體聲明

//聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)體
struct book 
{
  char title[MAXTITL];//一個(gè)字符串表示的titile 題目 ；
  char author[MAXAUTL];//一個(gè)字符串表示的author作者 ；
  float value;//一個(gè)浮點(diǎn)型表示的value價(jià)格；
}; //注意分號不能少，這也相當(dāng)于一條語句；

這個(gè)聲明描述了一個(gè)由兩個(gè)字符數(shù)組和一個(gè)float變量組成的結(jié)構(gòu)體。

但是注意，它并沒有創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)對象，而是描述了一個(gè)組成這類對象的元素。

因此，我們有時(shí)候也將結(jié)構(gòu)體聲明叫做模板，因?yàn)樗蠢粘鰯?shù)據(jù)該如何存儲，并沒有實(shí)例化數(shù)據(jù)對象。

下面介紹一下上面的結(jié)構(gòu)體聲明；

1、首先使用關(guān)鍵字struct，它表示接下來是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。

2、后面是一個(gè)可選的標(biāo)志（book），它是用來引用該結(jié)構(gòu)體的快速標(biāo)記。

因此我們以后就可以這樣創(chuàng)建數(shù)據(jù)對象

struct book library；//把library設(shè)為一個(gè)可以使用book結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)體變量，則library這個(gè)變量就包含了其book結(jié)構(gòu)體中的所有元素
3、接下來就是一個(gè)花括號，括起了結(jié)構(gòu)體成員列表，及每個(gè)成員變量，使用的都是其自己的聲明方式來描述，用分號來結(jié)束描述；

例如：char title[MAXTITL]; 字符數(shù)組就是這樣聲明的，用分號結(jié)束；

注意：其中每個(gè)成員可以使用任何一種C數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)甚至是其他的結(jié)構(gòu)體，也是可以的；

4、在結(jié)束花括號后的分號表示結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)定義的結(jié)束。

關(guān)于其struct聲明的位置，也就是這段代碼要放到哪里。同樣這也是具有作用域的。 這種聲明如果放在任何函數(shù)的外面，那么則標(biāo)記可以在在本文件中，該聲明后面的所有函數(shù)都可以使用。 如果這種聲明在某個(gè)函數(shù)的內(nèi)部，則它的標(biāo)記只能在內(nèi)部使用，并且在其聲明之后；

關(guān)于我們不斷說的，標(biāo)記名是可選的，那么我們什么時(shí)候可以省略，什么時(shí)候一定不能省略呢？

如果是上面那種聲明定義的方法，并且想在一個(gè)地方定義結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)，而在其他地方定義實(shí)際的結(jié)構(gòu)體變量，那么就必須使用標(biāo)記；

可以省略，設(shè)計(jì)的同時(shí)就創(chuàng)建該結(jié)構(gòu)體變量，但是這種設(shè)計(jì)是一次性的。


一般格式就是：

struct 結(jié)構(gòu)體名(也就是可選標(biāo)記名）{ 成員變量；}；//使用分號表示定義結(jié)束。

C 語言結(jié)構(gòu)體定義的三種方式

1、最標(biāo)準(zhǔn)的方式:

#include
struct student //結(jié)構(gòu)體類型的說明與定義分開。聲明
{
  int age;  /*年齡*/
  float score; /*分?jǐn)?shù)*/
  char sex;   /*性別*/
};
int main ()
{
  struct student a={ 20,79,'f'}; //定義
  printf("年齡：%d 分?jǐn)?shù)：%.2f 性別：%c
", a.age, a.score, a.sex );
  return 0;
}

2、不環(huán)保的方式

#include 
struct student /*聲明時(shí)直接定義*/
{
  int age;  /*年齡*/
  float score;  /*分?jǐn)?shù)*/
  char sex;   /*性別*/
 /*這種方式不環(huán)保，只能用一次*/
} a={21,80,'n'};
int main ()
{
  printf("年齡：%d 分?jǐn)?shù)：%.2f 性別：%c
", a.age, a.score, a.sex );
}

3、最奈何人的方式

#include
struct   //直接定義結(jié)構(gòu)體變量，沒有結(jié)構(gòu)體類型名。這種方式最爛
{
  int age;
  float score;
  char sex;
} t={21,79,'f'};


int main ()
{
  printf("年齡：%d 分?jǐn)?shù)：%f 性別：%c
", t.age, t.score, t.sex);
  return 0;
}

定義結(jié)構(gòu)體變量

之前我們結(jié)構(gòu)體類型的定義（結(jié)構(gòu)體的聲明）只是告訴編譯器該如何表示數(shù)據(jù)，但是它沒有讓計(jì)算機(jī)為其分配空間。


我們要使用結(jié)構(gòu)體，那么就需要?jiǎng)?chuàng)建變量，也就是結(jié)構(gòu)體變量；


創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量；

struct book library；

看到這條指令，編譯器才會創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量library，此時(shí)編譯器才會按照book模板為該變量分配內(nèi)存空間，并且這里存儲空間都是以這個(gè)變量結(jié)合在一起的。

這也是后面訪問結(jié)構(gòu)體變量成員的時(shí)候，我們就要用到結(jié)構(gòu)體變量名來訪問。

分析：

struct book的作用：

在結(jié)構(gòu)體聲明中，struct book所起到的作用就像 int 等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型名作用一樣。

struct book s1，s2，*ss；

定義兩個(gè) struct book 結(jié)構(gòu)體類型的結(jié)構(gòu)體變量，還定義了一個(gè)指向該結(jié)構(gòu)體的指針，其 ss 指針可以指向 s1，s2，或者任何其他的book結(jié)構(gòu)體變量。

struct book library；

等效于：

struct book{
char … 
…. 
….. 
}library；

這兩種是等效的，只是第一種可以減少代碼的編寫量；


現(xiàn)在還是回到剛才提及的那個(gè)問題，可選標(biāo)志符什么時(shí)候可以省略； 其一：

struct
{
  char title[MAXTITL]; 
  char author[MAXAUTL];
  float value；
}library;

注意，這里不再是定義聲明結(jié)構(gòu)體類型，而是直接創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體變量了，這個(gè)編譯器會分配內(nèi)存的；

這樣的確可以省略標(biāo)識符也就是結(jié)構(gòu)體名，但是只能使用一次；因?yàn)檫@時(shí)，聲明結(jié)構(gòu)體的過程和定義結(jié)構(gòu)體變量的過程和在了一起，并且各成員變量沒有初始化。

如果你想多次使用一個(gè)結(jié)構(gòu)體模塊，這樣子是行不通的。

其二，


用 typedef 定義新類型名來代替已有類型名，即給已有類型重新命名；

一般格式為；typedef 已有類型 新類型名；

typedef int Elem; 
typedef struct{
int date;
    .....
    .....
}STUDENT;
STUDENT stu1,stu2;

總結(jié)一下關(guān)于結(jié)構(gòu)體變量的定義：

1、先定義結(jié)構(gòu)體類型后再定義結(jié)構(gòu)體變量；

格式為：struct 結(jié)構(gòu)體名 變量名列表；

//注意這種之前要先定義結(jié)構(gòu)體類型后再定義變量；
struct book s1，s2，*ss；

2、在定義結(jié)構(gòu)體類型的同時(shí)定義結(jié)構(gòu)體變量；

格式為：

struct 結(jié)構(gòu)體名
{
 成員列表；
}變量名列表；//這里結(jié)構(gòu)體名是可以省的，但盡量別??；


struct book
{
  char title[MAXTITL];//一個(gè)字符串表示的titile 題目 ；
  char author[MAXAUTL];//一個(gè)字符串表示的author作者 ；
  float value;//一個(gè)浮點(diǎn)型表示的value價(jià)格；
}s1，s2

直接定義結(jié)構(gòu)體類型變量，就是第二種中省略結(jié)構(gòu)體名的情況；

這種方式不能指明結(jié)構(gòu)體類型名而是直接定義結(jié)構(gòu)體變量，并且在只定義一次結(jié)構(gòu)體變量時(shí)適用，無結(jié)構(gòu)體名的結(jié)構(gòu)體類型是無法重復(fù)使用的。 也就是說，后面程序不能再定義此類型變量了，除非再寫一次重復(fù)的 struct。 對于結(jié)構(gòu)體變量的初始化


先回憶一下關(guān)于基本數(shù)據(jù)類型和數(shù)組類型的初始化：

int a =0；
int array[4] = {1,2,3,4};//每個(gè)元素用逗號隔開

回憶一下數(shù)組初始化問題：

再回到結(jié)構(gòu)體變量的初始化吧

關(guān)于結(jié)構(gòu)體變量的初始化與初始化數(shù)組類似；



也是使用花括號括起來，用逗號分隔的初始化好項(xiàng)目列表。注意，每個(gè)初始化項(xiàng)目必須要和要初始化的結(jié)構(gòu)體成員類型相匹配。

struct book s1=
{ //對結(jié)構(gòu)體初始化 
  "yuwen", //title為字符串 
  "guojiajiaoyun", //author為字符數(shù)組 
  22.5     //value為flaot型 
};
//要對應(yīng)起來，用逗號分隔開來，與數(shù)組初始化一樣；

加入一點(diǎn)小知識，關(guān)于結(jié)構(gòu)體初始化和存儲類時(shí)期的問題：如果要初始化一個(gè)具有靜態(tài)存儲時(shí)期的結(jié)構(gòu)體，初始化項(xiàng)目列表中的值必須是常量表達(dá)式；

注意，如果在定義結(jié)構(gòu)體變量的時(shí)候沒有初始化，那么后面就不能全部一起初始化了；意思就是：

/////////這樣是可以的，在定義變量的時(shí)候就初始化了；
struct book s1=
{ //對結(jié)構(gòu)體初始化 
 "guojiajiaoyun",//author為字符數(shù)組 
 "yuwen",//title為字符串 
 22.5
};
/////////這種就不行了，在定義變量之后，若再要對變量的成員賦值，那么只能單個(gè)賦值了；
struct book s1;
s1={ 
 "guojiajiaoyun",//author為字符數(shù)組 
 "yuwen",//title為字符串 
 22.5
};//這樣就是不行的，只能在定義的時(shí)候初始化才能全部賦值，之后就不能再全體賦值了，只能單個(gè)賦值；


只能：
s1.title = "yuwen";........//單個(gè)賦值；

對于結(jié)構(gòu)體的指定初始化：

訪問結(jié)構(gòu)體成員

結(jié)構(gòu)體就像一個(gè)超級數(shù)組，在這個(gè)超級數(shù)組內(nèi)，一個(gè)元素可以是char類型，下個(gè)元素就可以是flaot類型，再下個(gè)還可以是int數(shù)組型，這些都是存在的。

在數(shù)組里面我們通過下標(biāo)可以訪問一個(gè)數(shù)組的各個(gè)元素，那么如何訪問結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)成員呢？

用結(jié)構(gòu)成員運(yùn)算符點(diǎn)（.）就可以了；

結(jié)構(gòu)體變量名.成員名;

注意，點(diǎn)其結(jié)合性是自左至右的，它在所有的運(yùn)算符中優(yōu)先級是最高的；

例如，s1.title指的就是s1的title部分；s1.author指的就是s1的author部分；s1.value指的就是s1的value部分。

然后就可以像字符數(shù)組那樣使用s1.title，像使用float數(shù)據(jù)類型一樣使用s1.value；

注意，s1 雖然是個(gè)結(jié)構(gòu)體，但是 s1.value 卻是 float 型的。

因此 s1.value 就相當(dāng)于 float 類型的變量名一樣，按照 float 類型來使用；

例如：

printf(“%s %s %f”,s1.title,s1.author,s1.value); //訪問結(jié)構(gòu)體變量元素

注意 scanf(“%d”,&s1.value); 這語句存在兩個(gè)運(yùn)算符，&和結(jié)構(gòu)成員運(yùn)算符點(diǎn)。

按照道理我們應(yīng)該將（s1.value括起來，因?yàn)樗麄兪钦w，表示s1的value部分）但是我們不括起來也是一樣的，因?yàn)辄c(diǎn)的優(yōu)先級要高于&。

如果其成員本身又是一種結(jié)構(gòu)體類型，那么可以通過若干個(gè)成員運(yùn)算符，一級一級的找到最低一級成員再對其進(jìn)行操作；

結(jié)構(gòu)體變量名.成員.子成員………最低一級子成員;

struct date
{
  int year;
  int month;
  int day;
};
struct student
{
  char name[10];
  struct date birthday;
}student1;


//若想引用student的出生年月日，可表示為；student.brithday.year；
brithday是student的成員；year是brithday的成員；

整體與分開

可以將一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量作為一個(gè)整體賦值給另一相同類型的結(jié)構(gòu)體變量，可以到達(dá)整體賦值的效果；這個(gè)成員變量的值都將全部整體賦值給另外一個(gè)變量；

不能將一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量作為一個(gè)整體進(jìn)行輸入和輸出；在輸入輸出結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)時(shí)，必須分別指明結(jié)構(gòu)體變量的各成員；

小結(jié)：除去“相同類型的結(jié)構(gòu)體變量可以相互整體賦值”外，其他情況下，不能整體引用，只能對各個(gè)成員分別引用；



結(jié)構(gòu)體長度

數(shù)據(jù)類型的字節(jié)數(shù)：

16位編譯器


char ：1個(gè)字節(jié)


char*(即指針變量):2個(gè)字節(jié)


shortint:2個(gè)字節(jié)


int： 2個(gè)字節(jié)


unsignedint:2個(gè)字節(jié)


float:4個(gè)字節(jié)

double:8個(gè)字節(jié)


long:4個(gè)字節(jié)


longlong:8個(gè)字節(jié)


unsignedlong:4個(gè)字節(jié)

32位編譯器


char ：1個(gè)字節(jié)


char*（即指針變量）:4個(gè)字節(jié)（32位的尋址空間是2^32, 即32個(gè)bit，也就是4個(gè)字節(jié)。同理64位編譯器）


shortint:2個(gè)字節(jié)

int：4個(gè)字節(jié)


unsignedint:4個(gè)字節(jié)


float:4個(gè)字節(jié)


double:8個(gè)字節(jié)

long:4個(gè)字節(jié)longlong:8個(gè)字節(jié)


unsignedlong:4個(gè)字節(jié) 那么，下面這個(gè)結(jié)構(gòu)體類型占幾個(gè)字節(jié)呢？

typedefstruct
{
  char addr;
  char name;
  int  id;
}PERSON;

通過printf("PERSON長度=%d字節(jié) ",sizeof(PERSON));可以看到結(jié)果：

結(jié)構(gòu)體字節(jié)對齊

通過下面的方式，可以清楚知道為什么是8字節(jié)。



1、定義20個(gè)char元素的數(shù)組

char ss[20]={0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,0x16,0x17,0x18,0x19,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x27,0x28,0x29};

2、定義結(jié)構(gòu)體類型的指針ps指向ss數(shù)組

PERSON *ps=(PERSON *)ss;

3、打印輸出各個(gè)成員

printf("0x%02x,0x%02x,0x%02x
",ps->addr,ps->name,ps->id);printf("PERSON長度=%d字節(jié)
",sizeof(PERSON));

可以看到addr和name都只占一個(gè)字節(jié)，但是未滿4字節(jié)，跳過2字節(jié)后才是id的值，這就是4字節(jié)對齊。結(jié)構(gòu)體成員有int型，會自動按照4字節(jié)對齊。

把結(jié)構(gòu)體成員順序調(diào)換位置

typedef struct
{
  char addr;
  int  id;
  char name;
}PERSON;

輸出: 按照下面的順序排列：

typedef struct
{
int  id;
char addr;
char name;
}PERSON;

輸出： 可見，結(jié)構(gòu)體成員順序優(yōu)化，可節(jié)省空間。



如果全部成員都是 char 型，會按照 1 字節(jié)對齊，即

typedef struct
{
char addr;
char name;  
char  id;
}PERSON;

輸出結(jié)果：

結(jié)構(gòu)體嵌套

結(jié)構(gòu)體嵌套結(jié)構(gòu)體方式：

typedef struct
{
  char addr;
  char name;  
  int  id;
}PERSON;


typedef struct
{
  char age;
PERSONps1;
}STUDENT;

先定義結(jié)構(gòu)體類型PERSON，再定義結(jié)構(gòu)體STUDENT，PERSON作為它的一個(gè)成員。


按照前面的方法，打印各成員的值。
1、定義STUDENT指針變量指向數(shù)組 ss

STUDENT *stu=(STUDENT *)ss;

2、打印輸出各成員和長度

printf("0x%02x,0x%02x,0x%02x,0x%02x
",stu->ps1.addr,stu->ps1.name,stu->ps1.id,stu->age);
printf("STUDENT長度=%d字節(jié)
",sizeof(STUDENT));

調(diào)換STUDENT成員順序，

typedef struct
{
  PERSON  ps1;
  char age;
}STUDENT;

輸出結(jié)果： 結(jié)構(gòu)體嵌套其實(shí)沒有太意外的東西，只要遵循一定規(guī)律即可：

//對于“一錘子買賣”，只對最終的結(jié)構(gòu)體變量感興趣，其中A、B也可刪，不過最好帶著  
struct A{   
  struct B{  
             int c;  
          }b;  
}a;
//使用如下方式訪問：
a.b.c = 10;

特別的,可以一邊定義結(jié)構(gòu)體B，一邊就使用上：

struct A{
    struct B{
       int c;  
}b;
structBsb;
}a;

使用方法與測試：

a.b.c = 11;  
printf("%d
",a.b.c);  
a.sb.c = 22;  
printf("%d
",a.sb.c);

結(jié)果無誤。

但是如果嵌套的結(jié)構(gòu)體B是在A內(nèi)部才聲明的，并且沒定義一個(gè)對應(yīng)的對象實(shí)體b，這個(gè)結(jié)構(gòu)體B的大小還是不算進(jìn)結(jié)構(gòu)體A中。


占用內(nèi)存空間



struct結(jié)構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)體定義的時(shí)候不能申請內(nèi)存空間，不過如果是結(jié)構(gòu)體變量，聲明的時(shí)候就可以分配——兩者關(guān)系就像C++的類與對象，對象才分配內(nèi)存（不過嚴(yán)格講，作為代碼段，結(jié)構(gòu)體定義部分“.text”真的就不占空間了么？當(dāng)然，這是另外一個(gè)范疇的話題）。

結(jié)構(gòu)體的大小通常（只是通常）是結(jié)構(gòu)體所含變量大小的總和，下面打印輸出上述結(jié)構(gòu)體的size：

printf("size of struct man:%d
",sizeof(struct man));  
printf("size:%d
",sizeof(Huqinwei));

結(jié)果毫無懸念，都是28：分別是char數(shù)組20，int變量4，浮點(diǎn)變量4。


下邊說說不通常的情況



對于結(jié)構(gòu)體中比較小的成員，可能會被強(qiáng)行對齊，造成空間的空置，這和讀取內(nèi)存的機(jī)制有關(guān)。

為了效率，通常32位機(jī)按4字節(jié)對齊，小于的都當(dāng)4字節(jié)，有連續(xù)小于4字節(jié)的，可以不著急對齊，等到湊夠了整，加上下一個(gè)元素超出一個(gè)對齊位置，才開始調(diào)整，比如3+2或者1+4，后者都需要另起（下邊的結(jié)構(gòu)體大小是8bytes），相關(guān)例子就多了，不贅述。

struct s
{
  char a;  
  short b;  
  int c;  
};

相應(yīng)的，64 位機(jī)按 8 字節(jié)對齊。不過對齊不是絕對的，用#pragma pack()可以修改對齊，如果改成1，結(jié)構(gòu)體大小就是實(shí)實(shí)在在的成員變量大小的總和了。

和C++的類不一樣，結(jié)構(gòu)體不可以給結(jié)構(gòu)體內(nèi)部變量初始化，。


如下，為錯(cuò)誤示范：

#include  
//直接帶變量名
struct stuff{
//      char job[20] = "Programmer";  
//      char job[];  
//      int age = 27;  
//      float height = 185;  
};

PS：結(jié)構(gòu)體的聲明也要注意位置的，作用域不一樣。

C++的結(jié)構(gòu)體變量的聲明定義和C有略微不同，說白了就是更“面向?qū)ο蟆憋L(fēng)格化，要求更低。

為什么有些函數(shù)的參數(shù)是結(jié)構(gòu)體指針型


如果函數(shù)的參數(shù)比較多，很容易產(chǎn)生“重復(fù)C語言代碼”，例如：

int get_video(char **name, long *address, int *size, time_t *time, int *alg)
{
    ...
}
int handle_video(char *name, long address, int size, time_t time, int alg)
{
    ...
}
int send_video(char *name, long address, int size, time_t time, int alg)
{
    ...
}

上述C語言代碼定義了三個(gè)函數(shù)：get_video() 用于獲取一段視頻信息，包括：視頻的名稱，地址，大小，時(shí)間，編碼算法。


然后 handle_video() 函數(shù)根據(jù)視頻的這些參數(shù)處理視頻，之后 send_video() 負(fù)責(zé)將處理后的視頻發(fā)送出去。下面是一次調(diào)用：

char *name = NULL;
long address;
int size, alg;
time_t time;


get_video(&name, &address, &size, &time, &alg);
handle_video(name, address, size, time, alg);
send_video(name, address, size, time, alg);

從上面這段C語言代碼來看，為了完成視頻的一次“獲取”——“處理”——“發(fā)送”操作，C語言程序不得不定義多個(gè)變量，并且這些變量需要重復(fù)寫至少三遍。



雖說C語言程序的代碼風(fēng)格因人而異，但是“重復(fù)的代碼”永遠(yuǎn)是應(yīng)盡力避免的，不管怎么說，每次使用這幾個(gè)函數(shù)，都需要定義很多臨時(shí)變量，總是非常麻煩的。所以，這種情況下，完全可以使用C語言的結(jié)構(gòu)體語法：

struct video_info
{
  char *name;
  long address;
  int size;
  int alg;
  time_t time;
};

定義好 video_info 結(jié)構(gòu)體后，上述三個(gè)C語言函數(shù)的參數(shù)可以如下寫，請看：

int get_video(struct video_info *vinfo)
{
    ...
}
int handle_video(struct video_info *vinfo)
{
    ...
}
int send_video(struct video_info *vinfo)
{
    ...
}

修改后的C語言代碼明顯精簡多了，在函數(shù)內(nèi)部，視頻的各個(gè)信息可以通過結(jié)構(gòu)體指針 vinfo 訪問，例如：

printf("video name: %s
", vinfo->name);
long addr = vinfo->address;
int size = vinfo->size;

事實(shí)上，使用結(jié)構(gòu)體 video_info 封裝視頻信息的各個(gè)參數(shù)后，調(diào)用這幾個(gè)修改后的函數(shù)也是非常簡潔的：

struct video_info vinfo = {0};


get_video(&vinfo);
handle_video(&vinfo);
send_video(&vinfo);

從上述C語言代碼可以看出，使用修改后的函數(shù)只需定義一個(gè)臨時(shí)變量，整個(gè)代碼變得非常精簡。


讀者應(yīng)該注意到了，修改之前的 handle_video() 和 send_video() 函數(shù)原型如下：

int handle_video(char *name, long address, int size, time_t time, int alg);
int send_video(char *name, long address, int size, time_t time, int alg);

根據(jù)這段C語言代碼，我們知道 handle_video() 和 send_video() 函數(shù)只需要讀取參數(shù)信息，并不再修改參數(shù)，那為什么使用結(jié)構(gòu)體 video_info 封裝數(shù)據(jù)，修改后的 handle_video() 和 send_video() 函數(shù)參數(shù)是 struct video_info *指針型呢?

int handle_video(struct video_info *vinfo);
int send_video(struct video_info *vinfo);

既然 handle_video() 和 send_video() 函數(shù)只需要讀取參數(shù)信息，那我們就無需再使用指針型了呀？的確如此，這兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)直接使用 struct video_info 型也是可以的：

int handle_video(struct video_info vinfo)
{
    ...
}
int send_video(struct video_info vinfo)
{
    ...
}

似乎這種寫法和使用 struct video_info *指針型 參數(shù)的區(qū)別，無非就是函數(shù)內(nèi)部訪問數(shù)據(jù)的方式改變了而已。但是，如果讀者能夠想到我們之前討論過的 C語言函數(shù)的“棧幀”概念，應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)，使用指針型參數(shù)的 handle_video() 和 send_video() 函數(shù)效率更好，開銷更小。

嵌入式開發(fā)中，C語言位結(jié)構(gòu)體用途詳解

在嵌入式開發(fā)中，經(jīng)常需要表示各種系統(tǒng)狀態(tài)，位結(jié)構(gòu)體的出現(xiàn)大大方便了我們，尤其是在進(jìn)行一些硬件層操作和數(shù)據(jù)通信時(shí)。但是在使用位結(jié)構(gòu)體的過程中，是否深入思考一下它的相關(guān)屬性？是否真正用到它的便利性，來提高系統(tǒng)效率？
下面將進(jìn)行一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)（這里以項(xiàng)目開發(fā)中的實(shí)際代碼為例）：


1. 位結(jié)構(gòu)體類型設(shè)計(jì)

//datastructureexceptfornumberstructure
typedef struct symbol_struct  
{
uint_32SYMBOL_TYPE:5;//datatype,havetheaffecton"datadisplaytype"
uint_32reserved_1:4;


  uint_32 SYMBOL_NUMBER  :7;  //effective data number in one element  
  uint_32 SYMBOL_ACTIVE  :1;//symbol active status  

  uint_32 SYMBOL_INDEX   :8;  //data index in norflash,result is related to "xxx_BASE_ADDR"  
  uint_32reserved_2:8;


}SYMBOL_STRUCT, _PTR_SYMBOL_STRUCT_PTR;

分析：這里定義了一個(gè)位結(jié)構(gòu)體類型 SYMBOL_STRUCT，那么用該類型定義的變量都哪些屬性呢？

看下面運(yùn)行結(jié)果：

WORDS是定義的另一個(gè)外層類型定義封裝，可以把它當(dāng)作變量來看待。WORDS變量里前5個(gè)數(shù)據(jù)域的地址都是0x1ffff082c，而reserved_2的地址0x1fff0830,緊接著的PressureState變量是0x1fff0834。


開始以為：reserved_1 和 SYMBOL_TYPE 不在一個(gè)地址上，因?yàn)樗麄?5+4 共9位，超過了1個(gè)字節(jié)地址，但實(shí)際他們共用首地址了；而且reserved_2只定義了8位，竟然實(shí)際占用了4個(gè)字節(jié)（0x1fff0834 - 0x1fff0830），我本來是想讓他占用1個(gè)字節(jié)的。

WORDS整體占了8個(gè)字節(jié)（0x1fff0834 - 0x1fff082c），設(shè)計(jì)時(shí)分析占用5個(gè)字節(jié)：

SYMBOL_TYPE 1個(gè)；reserved_1 1個(gè)；

SYMBOL_NUMBER+SYMBOL_ACTIVE 1個(gè)；

SYMBOL_INDEX 1個(gè)；reserved_2 1個(gè)；

uint_32 reserved_2 : 8;占用4個(gè)字節(jié)，估計(jì)是uint_32在起作用，而這里寫的8位，只是我使用的有效位數(shù)，另外24位空閑，如果在下面再定義一個(gè)uint_32 reserved_3 : 8，地址也是一樣的，都是以uint_32為單位取地址。

同理，上面的5個(gè)變量，共用一個(gè)地址就不足為奇了。而且有效位的分配不是連續(xù)進(jìn)行的，例如 SYMBOL_TYPE+reserved_1 共9位，超過了一個(gè)字節(jié)，索性系統(tǒng)就分配兩個(gè)字節(jié)給他們，每人一個(gè)；SYMBOL_NUMBER+SYMBOL_ACTIVE 共8位，一個(gè)字節(jié)就能搞定。


2、修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證上述猜想

//datastructureexceptfornumberstructure
typedef struct symbol_struct  
{  
uint_8SYMBOL_TYPE:5;//datatype,havetheaffecton"datadisplaytype"
  uint_8 reserved_1     :4;  


uint_8SYMBOL_NUMBER:7;//effectivedatanumberinoneelement
uint_8SYMBOL_ACTIVE:1; //symbolactivestatus


uint_8SYMBOL_INDEX:8;//dataindexinnorflash,resultisrelatedto"xxx_BASE_ADDR"
uint_8reserved_2:8;
}SYMBOL_STRUCT,_PTR_ SYMBOL_STRUCT_PTR;

地址數(shù)據(jù)如下：

當(dāng)換成uint_8后，可以看到地址空間占用大大減小，reserved_2 只占用1個(gè)字節(jié)(0x1fff069f - 0x1fff069e)，其他變量也都符合上面的結(jié)論猜想。但是，注意看上面黃色和紅色的語句，總感覺有些勉強(qiáng)，那么我又會想，前兩個(gè)變量數(shù)據(jù)域是 9 位，那么他們實(shí)際上是不是真正的獨(dú)立呢？雖然在 uint_8 上面他們是不同的地址，在uint_32 的時(shí)候是不是也是不同的地址空間呢？


3、分析結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的數(shù)據(jù)域是否連續(xù)，看下圖及結(jié)果



本來假設(shè)：由前 2 次試驗(yàn)的結(jié)論，一共占用 8 個(gè)字節(jié)，節(jié)空間占用：(2+4)+(4+4)+(2+2+4)+(2+2)+(6)?？墒?，實(shí)際效果并不是想的那樣。實(shí)際只占用了 4 個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)并沒有按照預(yù)想的方式，為 RESERVED 變量分配 4 個(gè)字節(jié)。

分析：

這些數(shù)據(jù)域，整體相加一共32位，占用4個(gè)字節(jié)(不考慮數(shù)據(jù)對齊問題)。而實(shí)際確實(shí)是占用了4個(gè)字節(jié)，唯一的原因就是：這些數(shù)據(jù)域以緊湊的方式鏈接，沒有任何空閑位。實(shí)際是不是這樣呢？


看下圖和結(jié)果：



這里為了驗(yàn)證是否緊湊鏈接，用到了一個(gè)union數(shù)據(jù)，后面會講到用union不會對數(shù)據(jù)組織方式有任何影響，看實(shí)際與上次的一樣，也能分析出來。


主要是分析第2和第3個(gè)數(shù)據(jù)域是否緊密鏈接的。OBJECT_ACTIVE_PRE賦值0b00001111，NUMBER_ACTIVE賦值0b00000101，其他變量都是0，看到WORD數(shù)值0b1011111000000。分析WORD數(shù)據(jù)，可以看到這款MCU還是小端格式(高位數(shù)據(jù)在高端，低位數(shù)據(jù)在低端，這里不對大小端進(jìn)行討論)，斷開數(shù)據(jù)變成(0)10111 11000000，正好是0101+1111，OBJECT_ACTIVE_PRE數(shù)據(jù)域，跨越了兩個(gè)字節(jié)，并不是剛開始設(shè)想的那樣。這就印證了上面的緊密鏈接的結(jié)論，也符合數(shù)據(jù)結(jié)果輸出。





4、再次實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)是否緊密鏈接，看下圖和結(jié)果

可以看到，RESERVED數(shù)據(jù)域已經(jīng)不再屬于4個(gè)地址空間內(nèi)了(0x1fff0518 - 0x1fff051b)，但是他們整體加起來還是32個(gè)位域。這說明數(shù)據(jù)中間肯定有“空隙”存在了，空隙在哪？看一下NUMBER_STATE，如果緊密的話它應(yīng)該跟NUMBER_ACTIVE在同一個(gè)字節(jié)地址上，可是他們并不在一塊，“空隙”就存在這里。

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體有什么不一樣？數(shù)據(jù)類型不一致，一個(gè)是uint_32，一個(gè)是uint_8。

綜上所述：數(shù)據(jù)類型影響的是編譯器在分配物理空間時(shí)的大小單位，uint_32 是以 4個(gè)字節(jié)為單位，而后面的位域則是指在已經(jīng)分配好的物理空間內(nèi)部再緊湊的方式分配數(shù)據(jù)位，當(dāng)物理空間不能滿足位域時(shí)，那么系統(tǒng)就再次以一定大小單位進(jìn)行物理空間分配，這個(gè)單位就是上面提到的 uint_8 或者 uint_32。


舉例：上面 uint_32 時(shí)，這些位域不管是不是在一個(gè)字節(jié)地址上，如果能夠緊湊的分配在一個(gè)4字節(jié)空間大小上，就直接緊湊分配。如果不能則繼續(xù)分配(總空間超過4字節(jié))，則再次以4字節(jié)空間分配，并把新的位域建立在新的地址空間上(條目1上的就是)。當(dāng) uint_8 時(shí)，很明顯如果位域不能緊湊的放在一個(gè)字節(jié)空間上，那么就從新分配新的1字節(jié)空間大小，道理是一樣的。

5、結(jié)構(gòu)體組合、共用體組合是否影響上述結(jié)論

可以看到，系統(tǒng)并沒有因?yàn)槲唤Y(jié)構(gòu)體上面有uint_4的4字節(jié)變量或者共用體類型，就改變分配策略把位域都擠到4字節(jié)之內(nèi)，看來他們是沒有什么實(shí)質(zhì)性聯(lián)系的。這里把uint_32改成uint_8，或者把位結(jié)構(gòu)體也替換掉，經(jīng)我試驗(yàn)證明，都是沒有任何影響的。

總結(jié)：

1、在操作位結(jié)構(gòu)體時(shí)，要關(guān)注變量的位域是否在一個(gè)變量類型（uint_32或者uint_8）上，判斷占用空間大小。

2、除了位域，還要關(guān)注變量定義類型，因?yàn)榫幾g器空間分配始終是按類型分配的，位域只是指出了有效位(小于類型占用空間)，而且如果位域大于類型空間，編譯器直接報(bào)錯(cuò)（如 uint_8 test :15，可自行實(shí)驗(yàn)）。


3、這兩個(gè)因素都影響變量占用空間大小，具體可以結(jié)合調(diào)試窗口，通過地址分配分析判斷。

4、最重要的一點(diǎn)：上面的所有結(jié)果，都是基于我自己的 CodeWarrior10.2 和MQX3.8 分析出來的，不同的編譯環(huán)境和操作系統(tǒng)，都可能會有不同的結(jié)果；而且即便是環(huán)境相同，編譯器的配置和優(yōu)化選項(xiàng)都有可能影響系統(tǒng)處理結(jié)果。結(jié)論并不重要，主要想告訴大家這一塊隱藏陷阱，在以后處理類似問題時(shí)，要注意分析避讓并掌握方法。

審核編輯：湯梓紅