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前言

在 C 语言中，我们常用到一种叫做结构体（struct）的数据类型。
结构体就像一个小盒子，你可以把不同类型的数据（数字、字符串等）放进这个盒子中，这样便于管理和传递数据。
例如，一个学生的信息可以包含学号、姓名和成绩，把这些放到一个结构体中，就很方便了。

本文将一步步介绍：

• 结构体的声明和使用
• 如何创建和初始化结构体变量
• 如何访问结构体中的数据
• 内存对齐的概念和原因
• 结构体传参的方法
• 位段的作用及使用注意事项

即使你没有编程基础，也能看懂每个步骤。

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一、结构体类型的声明

1.1 什么是结构体？

结构体就是一个自定义的数据类型，用来将不同类型的数据组合在一起。
举个例子：我们想表示一个学生的信息，可能包括学号、姓名和成绩。

1.2 结构体的声明

在 C 语言中，声明结构体的格式如下：

struct 结构体名 {成员类型 成员名;// 可以有多个成员，每个成员之间用分号隔开
};

示例：定义一个表示学生的结构体

// 定义一个结构体类型，名字叫 Student
struct Student {int id;             // 学号，整型数字char name[20];      // 姓名，字符数组（字符串）float score;        // 成绩，浮点数（可以有小数）
};

这段代码定义了一个结构体类型 Student，它有三个成员：

• id：用来存学号
• name：用来存姓名（最多20个字符）
• score：用来存成绩

1.3 结构体变量的创建和初始化

定义好结构体类型后，我们可以创建这种类型的变量。
创建变量的方法和普通变量类似，例如：

// 创建一个 Student 类型的结构体变量 stu1
struct Student stu1;

如果想在创建的同时给成员赋初值，可以使用初始化列表：

// 按照成员顺序初始化，依次赋值给 id、name、score
struct Student stu2 = { 1001, "Alice", 88.5 };// 或者使用“指定成员”的方式初始化（顺序可以不同）
struct Student stu3 = { .name = "Bob", .score = 92.0, .id = 1002 };

这样，stu2 中的 id 就是 1001，name 是 “Alice”，score 是 88.5。

1.4 使用 typedef 简化结构体名称

为了让结构体的使用更加方便，我们常常使用 typedef 给结构体取个别名。
例如：

// 定义结构体并取别名 Person
typedef struct {char name[20];int age;
} Person;// 现在可以直接用 Person 来声明变量
Person p1 = { "Charlie", 25 };

这样以后声明变量时就不用写 struct Person 了，直接用 Person 即可。

1.5 结构体的自引用

有时我们需要构造“链表”等数据结构，此时需要结构体中包含指向自身类型的指针。
注意：不能直接在结构体中嵌入结构体本身，否则会无限递归，导致大小无法确定。
正确的做法是使用指针，例如：

// 定义链表节点的结构体
typedef struct Node {int data;           // 数据struct Node *next;  // 指向下一个节点的指针
} Node;

在这个例子中，每个 Node 包含一个整型数据和一个指向下一个 Node 的指针，从而可以构成链表。

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二、结构成员的访问操作符

当我们定义好结构体变量后，需要访问其中的成员。有两种常用的方式：

2.1 使用点号 . 直接访问

对于结构体变量，使用点号 . 来访问其中的成员。例如：

// 假设我们有一个 Student 类型的变量 stu1
stu1.id = 1001;             // 给学号赋值
printf("Name: %s\n", stu1.name);  // 打印姓名

2.2 使用箭头 -> 通过指针访问

如果我们有一个指向结构体的指针，就用箭头 -> 来访问成员。例如：

// 定义一个指向 Student 结构体的指针
struct Student *ptr = &stu1;// 通过指针访问成员
ptr->score = 95.5;           // 修改成绩
printf("ID: %d\n", ptr->id); // 打印学号

箭头操作符是 (*ptr).成员 的简写，写起来更方便。

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三、结构体内存对齐

当 CPU 访问数据时，为了提高效率，通常要求数据按照特定的边界存储，这就是内存对齐。
简单来说，内存对齐就是让数据存储在“整齐”的地址上。

3.1 为什么需要内存对齐？

• 硬件要求：有的计算机硬件要求数据必须存放在某个地址边界上，否则会产生错误。
• 提高效率：对齐后的数据可以让 CPU 一次性读取完整数据，速度更快。如果数据没有对齐，可能需要多次读取。

3.2 内存对齐的规则

假设在 32 位系统中：

• char 类型占 1 个字节
• int 类型占 4 个字节

下面举个例子说明对齐的概念：

struct S1 {char c1;int i;char c2;
};

可能的内存布局如下：

• c1：占 1 个字节，从地址 0 开始。
• 填充：为了让后面的 i 对齐到 4 的倍数，编译器在 c1 后面自动添加 3 个填充字节。
• i：占 4 个字节，从地址 4 开始。
• c2：占 1 个字节，紧接在 i 后面存放，地址 8。
• 尾部填充：为了让整个结构体的大小是最大的对齐数（这里是 4）的整数倍，后面可能填充 3 个字节。

这样整个结构体的大小就是 12 个字节，而不是简单的 1+4+1=6 个字节。

3.3 修改默认对齐数

如果你想让结构体更紧凑，可以使用 #pragma pack(n) 指令来改变默认对齐数。例如，将对齐设置为 1 字节：

#pragma pack(1)  // 设置对齐数为 1 字节
struct Test {char a;int b;char c;
};
#pragma pack()   // 恢复默认对齐// 现在 Test 结构体的大小为 1 + 4 + 1 = 6 字节（没有填充）

注意：降低对齐数可能会影响程序运行速度，因为数据访问可能不再高效。

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四、结构体传参

在函数调用时，我们可以将结构体作为参数传递。主要有两种方式：

4.1 值传递

直接传递结构体变量的值。
这种方式会把整个结构体的内容复制一份传递给函数，如果结构体很大，复制的过程会占用更多时间和内存。

void printStudent(struct Student stu) {printf("ID: %d, Name: %s\n", stu.id, stu.name);
}int main() {struct Student stu = { 1001, "Alice", 88.5 };printStudent(stu);  // 将 stu 的一份副本传入函数return 0;
}

4.2 指针传递

传递结构体的地址，只复制一个指针。
这种方式效率更高，并且在函数中修改结构体内容会影响到原变量。

void modifyStudent(struct Student *stu) {// 使用箭头操作符访问成员stu->score = 100;
}int main() {struct Student stu = { 1002, "Bob", 92.0 };modifyStudent(&stu);  // 传递 stu 的地址printf("New score: %.1f\n", stu.score);  // 输出 100.0return 0;
}

推荐在传递大结构体时使用指针传递。

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五、结构体实现位段

5.1 什么是位段？

有时我们只需要一个数据的几个二进制位，而不是整个字节。
位段（bit-field）就是用来指定一个结构体成员占用多少个二进制位。
位段常用于硬件编程、网络协议等对内存要求非常严格的场合。

5.2 位段的声明方法

位段的声明语法与结构体类似，只不过在成员名后面加上冒号和位数：

struct Flags {unsigned int flag1 : 1;  // 只占 1 位（0 或 1）unsigned int flag2 : 3;  // 占 3 位（可表示 0~7）unsigned int flag3 : 4;  // 占 4 位（可表示 0~15）
};

这里，flag1 只需要 1 个比特位，flag2 用 3 个比特位，flag3 用 4 个比特位。
总共占用的位数为 1 + 3 + 4 = 8 位，正好 1 个字节。

5.3 位段的内存分配

• 同一存储单元：相邻的位段成员如果属于相同的类型且剩余位足够，会被存放在同一个存储单元中（通常是 1 个、2 个或 4 个字节）。
• 不足则分新单元：如果剩余空间不足以存放下一个位段，则会从下一个存储单元开始存放。

例如：

struct Bits {char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};

在某些编译器下，a 和 b 可能会存放在同一字节中；如果一字节不够存放 c 的 5 位，则 c 可能从下一个字节开始，d 同理。
注意：不同编译器可能在位段存储细节上略有差异。

5.4 位段的跨平台问题

由于位段的存储和对齐规则依赖于编译器和平台，可能会出现以下问题：

• 存储顺序：某些编译器可能将位段从左到右存储，有的则相反；
• 符号问题：位段默认是有符号还是无符号可能不同；
• 填充方式：当位段不足时，编译器如何填充可能不同。

因此，使用位段时要特别注意代码的可移植性。

5.5 位段的使用注意事项

• 不能取地址：由于位段可能并不占满一个完整的字节，不能对位段成员使用取地址符 &。这意味着你不能获取位段成员的指针。
• 赋值范围：给位段赋值时，要确保数值不超过其位数能表示的范围，否则可能出现错误或数据截断。
• 跨平台谨慎使用：如果你的代码需要在多个平台上运行，请慎重使用位段，因为它们的具体存储方式可能会有所不同。

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总结

本文详细介绍了 C 语言中结构体的知识点，内容包括：

1. 结构体的声明与使用：如何定义结构体、创建结构体变量、使用 typedef 简化类型以及如何实现结构体的自引用。
2. 结构体成员的访问：介绍了使用点号 . 和箭头 -> 两种方法访问结构体成员。
3. 内存对齐：解释了为什么需要内存对齐、内存对齐的规则以及如何使用 #pragma pack 调整对齐方式，让数据在内存中存放得更加“整齐”。
4. 结构体传参：讲解了值传递和指针传递两种方式，并指出大结构体使用指针传递可以提高效率。
5. 位段：介绍了位段的基本概念、声明方法、内存分配方式及使用中的注意事项。

希望这篇博客能帮助你对 C 语言中的结构体及相关概念有一个全面而清晰的认识。如果有任何问题或疑问，欢迎在评论区留言讨论，一起进步！