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结构体基础知识

结构体类型的定义

struct Person{
   	char name[64];	int age;};typedef struct _PERSON{
   	char name[64];	int age;}Person;

注意：定义结构体类型时不要直接给成员赋值，结构体只是一个类型，编译器还没有为其分配空间，只有根据其类型定义变量时，才分配空间，有空间后才能赋值。

结构体变量的定义

struct Person{
   	char name[64];	int age;}p1; //定义类型同时定义变量struct{
   	char name[64];	int age;}p2; //定义类型同时定义变量struct Person p3; //通过类型直接定义

结构体变量的初始化

struct Person{
   	char name[64];	int age;}p1 = {
   "john",10}; //定义类型同时初始化变量struct{
   	char name[64];	int age;}p2 = {
   "Obama",30}; //定义类型同时初始化变量struct Person p3 = {
   "Edward",33}; //通过类型直接定义

结构体成员的使用

struct Person{
   	char name[64];	int age;};void test(){
   	//在栈上分配空间	struct Person p1;	strcpy(p1.name, "John");	p1.age = 30;	//如果是普通变量，通过点运算符操作结构体成员	printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);	//在堆上分配空间	struct Person* p2 = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));	strcpy(p2->name, "Obama");	p2->age = 33;	//如果是指针变量，通过->操作结构体成员	printf("Name:%s Age:%d\n", p2->name, p2->age);}

结构体赋值

赋值基本概念

相同的两个结构体变量可以相互赋值，把一个结构体变量的值拷贝给另一个结构体，这两个变量还是两个独立的变量。

struct Person{
   	char name[64];	int age;};void test(){
   	//在栈上分配空间	struct Person p1 = {
    "John" , 30};	struct Person p2 = {
    "Obama", 33 };	printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);	printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);	//将p2的值赋值给p1	p1 = p2;	printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);	printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);}

深拷贝和浅拷贝

//一个老师有N个学生typedef struct _TEACHER{
   	char* name;}Teacher;void test(){
   		Teacher t1;	t1.name = malloc(64);	strcpy(t1.name , "John");	Teacher t2;	t2 = t1;	//对手动开辟的内存，需要手动拷贝	t2.name = malloc(64);	strcpy(t2.name, t1.name);	if (t1.name != NULL){
   		free(t1.name);		t1.name = NULL;	}	if (t2.name != NULL){
   		free(t2.name);		t1.name = NULL;	}}

结构体数组

struct Person{
   	char name[64];	int age;};void test(){
   	//在栈上分配空间	struct Person p1[3] = {
   		{
    "John", 30 },		{
    "Obama", 33 },		{
    "Edward", 25}	};	struct Person p2[3] = {
    "John", 30, "Obama", 33, "Edward", 25 };	for (int i = 0; i < 3;i ++){
   		printf("Name:%s Age:%d\n",p1[i].name,p1[i].age);	}	printf("-----------------\n");	for (int i = 0; i < 3; i++){
   		printf("Name:%s Age:%d\n", p2[i].name, p2[i].age);	}	printf("-----------------\n");	//在堆上分配结构体数组	struct Person* p3 = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person) * 3);	for (int i = 0; i < 3;i++){
   		sprintf(p3[i].name, "Name_%d", i + 1);		p3[i].age = 20 + i;	}	for (int i = 0; i < 3; i++){
   		printf("Name:%s Age:%d\n", p3[i].name, p3[i].age);	}}

结构体嵌套指针

结构体嵌套一级指针

struct Person{
   	char* name;	int age;};void allocate_memory(struct Person** person){
   	if (person == NULL){
   		return;	}	struct Person* temp = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));	if (temp == NULL){
   		return;	}	//给name指针分配内存	temp->name = (char*)malloc(sizeof(char)* 64);	strcpy(temp->name, "John");	temp->age = 100;	*person = temp;}void print_person(struct Person* person){
   	printf("Name:%s Age:%d\n",person->name,person->age);}void free_memory(struct Person** person){
   	if (person == NULL){
   		return;	}	struct Person* temp = *person;	if (temp->name != NULL){
   		free(temp->name);		temp->name = NULL;	}	free(temp);}void test(){
   		struct Person* p = NULL;	allocate_memory(&p);	print_person(p);	free_memory(&p);}

结构体嵌套二级指针

//一个老师有N个学生typedef struct _TEACHER{
   	char name[64];	char** students;}Teacher;void create_teacher(Teacher** teacher,int n,int m){
   	if (teacher == NULL){
   		return;	}	//创建老师数组	Teacher* teachers = (Teacher*)malloc(sizeof(Teacher)* n);	if (teachers == NULL){
   		return;	}	//给每一个老师分配学生	int num = 0;	for (int i = 0; i < n; i ++){
   		sprintf(teachers[i].name, "老师_%d", i + 1);		teachers[i].students = (char**)malloc(sizeof(char*) * m);		for (int j = 0; j < m;j++){
   			teachers[i].students[j] = malloc(64);			sprintf(teachers[i].students[j], "学生_%d", num + 1);			num++;		}	}	*teacher = teachers;	}void print_teacher(Teacher* teacher,int n,int m){
   	for (int i = 0; i < n; i ++){
   		printf("%s:\n", teacher[i].name);		for (int j = 0; j < m;j++){
   			printf("  %s",teacher[i].students[j]);		}		printf("\n");	}}void free_memory(Teacher** teacher,int n,int m){
   	if (teacher == NULL){
   		return;	}	Teacher* temp = *teacher;	for (int i = 0; i < n; i ++){
   				for (int j = 0; j < m;j ++){
   			free(temp[i].students[j]);			temp[i].students[j] = NULL;		}		free(temp[i].students);		temp[i].students = NULL;	}	free(temp);}void test(){
   		Teacher* p = NULL;	create_teacher(&p,2,3);	print_teacher(p, 2, 3);	free_memory(&p,2,3);}

结构体成员偏移量

//一旦结构体定义下来，则结构体中的成员内存布局就定下了typedef struct Teacher{
   	char a;  	int b;      	int c;        } Teacher;void test(){
   		Teacher  t1;	Teacher*p = NULL;	p = &t1;	int offsize1 = (int)&(p->b) - (int)p;  //age 相对于结构体 Teacher的偏移量	int offsize2 = (int)&(((Teacher *)0)->b);//绝对0地址 age的偏移量	int offsize3 = offsetof(Teacher, b);	printf("offsize1:%d \n", offsize1);	printf("offsize2:%d \n", offsize2);	printf("offsize3:%d \n", offsize3);}

结构体字节对齐

在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时，并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加，这里涉及到内存字节对齐的问题。

从理论上讲，对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问，但是事实上不是如此，实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问，这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列， 而不是简单地顺序排列，这就是内存对齐。

内存对齐

内存对齐原因

我们知道内存的最小单元是一个字节，当cpu从内存中读取数据的时候，是一个一个字节读取，所以内存对我们应该是入下图这样：

但是实际上cpu将内存当成多个块，每次从内存中读取一个块，这个块的大小可能是2、4、8、16等，

那么下面，我们来分析下非内存对齐和内存对齐的优缺点在哪？ 内存对齐是操作系统为了提高访问内存的策略。操作系统在访问内存的时候，每次读取一定长度(这个长度是操作系统默认的对齐数，或者默认对齐数的整数倍)。如果没有对齐，为了访问一个变量可能产生二次访问。

至此大家应该能够简单明白，为什么要简单内存对齐？

• 提高存取数据的速度。比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据，对于一个int型的变量，若从偶地址单元处存放，则只需一个读取周期即可读取该变量；但是若从奇地址单元处存放，则需要2个读取周期读取该变量。
• 某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据，否则抛出硬件异常给操作系统。

如何内存对齐

• 对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍。
• 对于非标准数据类型，比如结构体，要遵循一下对齐原则：

1. 数组成员对齐规则。第一个数组成员应该放在offset为0的地方，以后每个数组成员应该放在offset为min（当前成员的大小，#pargama pack(n)）整数倍的地方开始（比如int在32位机器为４字节，#pargama pack(2)，那么从2的倍数地方开始存储）。
2. 结构体总的大小，也就是sizeof的结果，必须是min（结构体内部最大成员，#pargama pack(n)）的整数倍，不足要补齐。
3. 结构体做为成员的对齐规则。如果一个结构体B里嵌套另一个结构体A,还是以最大成员类型的大小对齐，但是结构体A的起点为A内部最大成员的整数倍的地方。（struct B里存有struct A，A里有char，int，double等成员，那A应该从8的整数倍开始存储。），结构体A中的成员的对齐规则仍满足原则1、原则2。

手动设置对齐模数:

• #pragma pack(show)
  显示当前packing alignment的字节数，以warning message的形式被显示。
• #pragma pack(push)
  将当前指定的packing alignment数组进行压栈操作，这里的栈是the internal compiler stack,同事设置当前的packing alignment为n；如果n没有指定，则将当前的packing alignment数组压栈。
• #pragma pack(pop)
  从internal compiler stack中删除最顶端的reaord; 如果没有指定n,则当前栈顶record即为新的packing alignement数值；如果指定了n，则n成为新的packing alignment值
• #pragma pack(n)
  指定packing的数值，以字节为单位，缺省数值是8，合法的数值分别是1,2,4,8,16。

内存对齐案例

#pragma pack(4)typedef struct _STUDENT{
   	int a;	char b;	double c;	float d;}Student;typedef struct _STUDENT2{
   	char a;	Student b; 	double c;}Student2;void test01(){
   	//Student	//a从偏移量0位置开始存储	//b从4位置开始存储	//c从8位置开始存储	//d从12位置开存储	//所以Student内部对齐之后的大小为20 ，整体对齐，整体为最大类型的整数倍 也就是8的整数倍 为24	printf("sizeof Student:%d\n",sizeof(Student));	//Student2 	//a从偏移量为0位置开始 8	//b从偏移量为Student内部最大成员整数倍开始，也就是8开始 24	//c从8的整数倍地方开始,也就是32开始	//所以结构体Sutdnet2内部对齐之后的大小为：40 ， 由于结构体中最大成员为8，必须为8的整数倍 所以大小为40	printf("sizeof Student2:%d\n", sizeof(Student2));}

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