[C++知识库]硬核结构体，暴力解读

说到结构体：首先我们应该知道什么是 结构

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。
?

1.结构体的声明

学习结构体，首先我们要知道 结构体是怎么声明的。

下面来看结构体的两种声明方式

//结构体的声明
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 s1 s2; ? 是struct Stu 类型 的全局变量

//特殊的声明
//匿名结构体类型
struct
{
?? ?int a;
?? ?char b;
?? ?float c;
}x; ? ? ? ? ?

第二种没有特殊的声明有以下两个特点

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;          //没有名字  只能用一次

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;



int main()
{
	p = &x;
	//虽然两个结构体的成员都一样 但是p = &x 会报警告
	//编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。
	return 0;
}

当上述代码运行的时候就会报以下警告

2.结构体的自引用的两种误区

// 结构的自引用
// 错误用法
struct Node
{
	int data;
	struct Node next;  //这里会造成这个结构体的大小 像没有跳出条件的递归一样 next里有无穷个next
};

//所以 正确用法  将下一个节点的地址放进来
struct Node
{
	int data;			// 数据域
	struct Node* next;  // 指针域 // 存放下一个节点的一个地址
};

//错
typedef struct   //typedef 为自定义的数据类型取一个新的名字 Node
{                //造成struct 变成一个//匿名结构体类型//
	int data;    
	Node* next;  //Node* next;  里的next就不存在了 所以会报错
}Node;

// 可以采用以下方法
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;                 //  此时 struct Node n  与 Node n1  一样

3.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
struct Point p3 = { 3, 4 };//定义结构体变量p3

3.1结构体嵌套初始化

struct score
{
	int math;
	char English;

};

struct Stu    
{
	char name[20];
	int age;
	struct score s;
};



int main()
{
	struct Stu s1 = { "zhangsan",20,{100,'A'} };  //数学成绩 100 分 英语成绩A
	printf("%s %d %d %c", s1.name, s1.age, s1.s.math, s1.s.English);  //打印的方式

	return 0;
}

4.结构体内存对齐

当我们熟悉了结构体的基本使用，再向深层次考虑结构体的大小

结构体的对齐规则：
1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为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 该成员大小的较小值。
? ? ? ? ? ? ? ?VS中默认的值为8? （可以用#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8）

? ? ? ? ? ? ? ? 其他地方 的默认对齐数就是成员本身的大小
3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的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（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料说
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。
总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

?上图中 9 -->12 利用了?结构体的对齐规则 中的第三条

?比较以上两图，不难发现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。

所以我们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。

int main()
{
 ? ?printf("%d\n", sizeof(struct S1));  // 12
 ? ?printf("%d\n", sizeof(struct S2));  //  8
    return 0;
}

利用上述程序就可以验证。

5.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(const struct S* ps)
{
 printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
 print1(s); ?//传结构体
 print2(&s); //传地址
 return 0;
}

?print1 和 print2 两个函数有什么不同

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print2 比 print1 更好 即：结构体传参的时候，我们一般要传结构体的地址。

?说完这些，我们要讲一下 位端 的 概念

6.什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1.位段的成员

?int、unsigned int 或signed int 或char （属于整形家族）类型。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

例如

struct A
{
   //4 byte - 32bit
     int _a:2;   // 2  代表比特位
     int _b:5;   // 5  代表比特位
     int _c:10;  // 10  代表比特位
   //32-17 = 15 不够了
     int _d:30;  // 30  代表比特位
};

猜想一下

sizeof（struct? A)? 有多大

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

7.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 （属于整形家族）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;  // 开辟 1 byte 8个 bit -3 = 5
     char b:4;  // 5- 4 = 1   //这里 1 个bit 被浪费
     char c:5;  // 重新开辟
     char d:4;  // 重新开辟
};
int main()
{
    struct S s = {0};
    s.a = 10;
    s.b = 12;
    s.c = 3;
    s.d = 4;
    //空间是如何开辟的？
}

2.3 位段的跨平台问题?
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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。 （16位 int 2 byte 16个bit，? ? 32位 int 4 byte 32个bit）
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。
总结：
跟结构相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
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