结构体

1. 结构体基础知识

1.1 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。

1.2 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

1.3 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

1.4 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);
}

1.5 结构体赋值

1.5.1 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);
}

1.5.2 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;
    }
}

1.6 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);
    }
}

2. 结构体嵌套指针

2.1 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);
}

2.2 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);
}

2.3 结构体的自身引用

问题1：请问结构体可以嵌套本类型的结构体变量吗？
答：结构体可以嵌套另外一个结构体的任何类型变量;

问题2：请问结构体可以嵌套本类型的结构体指针变量吗？
答：结构体嵌套本结构体普通变量（不可以）。本结构体的类型大小无法确定，类型本质：固定大小内存块别名;

typedef struct _STUDENT{
    char name[64];
    int age;
}Student;
typedef struct _TEACHER{
    char name[64];
    Student stu; //结构体可以嵌套其他类型的结构体
    //Teacher stu;
    //struct _TEACHER teacher; //此时Teacher类型的成员还没有确定，编译器无法分配内存
    struct _TEACHER* teacher; //不论什么类型的指针，都只占4个字节，编译器可确定内存分配
}Teacher;

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
#include <stddef.h>
struct Teacher
{
    char a;
    int b;
};
void test01(){
    struct Teacher  t1;
    struct Teacher*p = &t1;
    int offsize1 = (int)&(p->b) - (int)p;  //成员b 相对于结构体 Teacher的偏移量
    int offsize2 = offsetof(struct Teacher, b);
    printf("offsize1:%d \n", offsize1); //打印b属性对于首地址的偏移量
    printf("offsize2:%d \n", offsize2);
}

4 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。

4.1 内存对齐

4.1.1 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.

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。
小结：

1. 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。
2. 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。

4.1.1 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：

1. #pragma pack(show)

显示当前packing alignment的字节数，以warning message的形式被显示。

1. #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。

1. #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

1. #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。

4.2 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 
    //b从偏移量为Student内部最大成员整数倍开始，也就是8开始
    //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));
}