1. 结构体基本概念

????????C语言提供了众多的基本类型，但现实生活中的对象一般都不是单纯的整型、浮点型或字符串，而是这些基本类型的综合体。比如一个学生，典型地应该拥有学号（整型）、姓名（字符串）、分数（浮点型）、性别（枚举）等不同侧面的属性，这些所有的属性都不应该被拆分开来，而是应该组成一个整体，代表一个完整的学生。

????????在C语言中，可以使用结构体来将多种不同的数据类型组装起来，形成某种现实意义的自定义的变量类型。结构体本质上是一种自定义类型。

结构体的定义：

struct? ?结构体标签

{

????成员1;

????成员2;

????...

};

• 语法：
  • 结构体标签，用来区分各个不同的结构体。
  • 成员，是包含在结构体内部的数据，可以是任意的数据类型。
• 示例：

// 定义了一种称为 struct node 的结构体类型

struct?node

{

????int?a;

????char?b;

????double?c; ?

};

int?main()

{

????// 定义结构体变量

????struct?node?n;

}

2. 结构体初始化

????????结构体跟普通变量一样，涉及定义、初始化、赋值、取址、传值等等操作，这些操作绝大部分都跟普通变量别无二致，只有少数操作有些特殊性。这其实也是结构体这种组合类型的设计初衷，就是让开发者用起来比较顺手，不跟普通变量产生太多差异。

• 结构体的定义和初始化。
  • 由于结构体内部拥有多个不同类型的成员，因此初始化采用与数组类似的列表方式。
  • 结构体的初始化有两种方式：①普通初始化；②指定成员初始化。
  • 为了能适应结构体类型的升级迭代，一般建议采用指定成员初始化。
• 示例：

// 1，普通初始化

struct?node?n?= {100, 'x', 3.14};

// 2，指定成员初始化

struct?node?n?= {

?????????????????.a = 100, ?// 此处，小圆点.被称为成员引用符

?????????????????.b = 'x',

?????????????????.c = 3.14

????????????????}

• 指定成员初始化的好处：
  • 成员初始化的次序可以改变。
  • 可以初始化一部分成员。
  • 结构体新增了成员之后初始化语句仍然可用。

3. 结构体成员引用

????????结构体相当于一个集合，内部包含了众多成员，每个成员实际上都是独立的变量，都可以被独立地引用。引用结构体成员非常简单，只需要使用一个成员引用符即可：

结构体.成员

示例：

n.a = 200;

n.b = 'y';

n.c = 2.22;

printf("%d, %c, %lf\n", n.a, n.b, b.c);

3. 结构体指针与数组

????????跟普通变量别无二致，可以定义指向结构体的指针，也可以定义结构体数组。

• 结构体指针：

struct?node??n?= {100, 'x', 3.14};

struct?node?*p?= &n;

// 以下语句都是等价的

printf("%d\n", ??n.a);

printf("%d\n", (*p).a);

printf("%d\n", ?p->a); ?// 箭头 -> 是结构体指针的成员引用符

• 结构体数组：

struct?node?s[5];

s[0].a = 300;

s[0].b = 'z';

s[0].c = 3.45;

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CPU字长

????????字长的概念指的是处理器在一条指令中的数据处理能力，当然这个能力还需要搭配操作系统的设定，比如常见的32位系统、64位系统，指的是在此系统环境下，处理器一次存储处理的数据可以达32位或64位。

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地址对齐

????????CPU字长确定之后，相当于明确了系统每次存取内存数据时的边界，以32位系统为例，32位意味着CPU每次存取都以4字节为边界，因此每4字节可以认为是CPU存取内存数据的一个单元。

????????如果存取的数据刚好落在所需单元数之内，那么我们就说这个数据的地址是对齐的，如果存取的数据跨越了边界，使用了超过所需单元的字节，那么我们就说这个数据的地址是未对齐的

????数据本身占据了8个字节，在地址未对齐的情况下，CPU需要分3次才能完整地存取完这个数据，但是在地址对齐的情况下，CPU可以分2次就能完整地存取这个数据。

总结：
????????如果一个数据满足以最小单元数存放在内存中，则称它地址是对齐的，否则是未对齐的。地址对齐的含义用大白话说就是1个单元能塞得下的就不用2个；2个单元能塞得下的就不用3个。
如果发生数据地址未对齐的情况，有些系统会直接罢工，有些系统则降低性能。

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普通变量的m值

????????以32位系统为例，由于CPU存取数据总是以4字节为单元，因此对于一个尺寸固定的数据而言，当它的地址满足某个数的整数倍时，就可以保证地址对齐。这个数就被称为变量的m值。
根据具体系统的字长，和数据本身的尺寸，m值是可以很简单计算出来的。

• 举例：

char???c; // 由于c占1个字节，因此c不管放哪里地址都是对齐的，因此m=1

short??s; // 由于s占2个字节，因此s地址只要是偶数就是对齐的，因此m=2

int????i; // 由于i占4个字节，因此只要i地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4

double?f; // 由于f占8个字节，因此只要f地址满足4的倍数就是对齐的，因此m=4

printf("%p\n", &c); // &c = 1*N，即：c的地址一定满足1的整数倍

printf("%p\n", &s); // &s = 2*N，即：s的地址一定满足2的整数倍

printf("%p\n", &i); // &i = 4*N，即：i的地址一定满足4的整数倍

printf("%p\n", &f); // &f = 4*N，即：f的地址一定满足4的整数倍

• 注意，变量的m值跟变量本身的尺寸有关，但它们是两个不同的概念。

• 手工干预变量的m值：

char?c __attribute__((aligned(32))); // 将变量 c 的m值设置为32

• 语法：
  • attribute 机制是GNU特定语法，属于C语言标准语法的扩展。
  • attribute 前后都是双下划线，aligned两边是双圆括号。
  • attribute 语句，出现在变量定义语句中的分号前面，变量标识符后面。
  • attribute 机制支持多种属性设置，其中 aligned 用来设置变量的 m 值属性。
  • 一个变量的 m 值只能提升，不能降低，且只能为正的2的n次幂。

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结构体的M值

• 概念：
  • 结构体的M值，取决于其成员的m值的最大值。即：M = max{m1, m2, m3, …};
  • 结构体的和地址和尺寸，都必须等于M值的整数倍。
• 示例：

struct?node

{

????short??a; // 尺寸=2，m值=2

????double?b; // 尺寸=8，m值=4

????char???c; // 尺寸=1，m值=1

};

struct?node?n; // M值 = max{2, 4, 1} = 4;

• 以上结构体成员存储分析：

1. 结构体的M值等于4，这意味着结构体的地址、尺寸都必须满足4的倍数。
2. 成员a的m值等于2，但a作为结构体的首元素，必须满足M值约束，即a的地址必须是4的倍数
3. 成员b的m值等于4，因此在a和b之间，需要填充2个字节的无效数据（一般填充0）
4. 成员c的m值等于1，因此c紧挨在b的后面，占一个字节即可。
5. 结构体的M值为4，因此成员c后面还需填充3个无效数据，才能将结构体尺寸凑足4的倍数。

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可移植性

可移植指的是相同的一段数据或者代码，在不同的平台中都可以成功运行。

• 对于数据来说，有两方面可能会导致不可移植：
  • 数据尺寸发生变化
  • 数据位置发生变化

第一个问题，起因是基本的数据类型在不同的系统所占据的字节数不同造成的，解决办法是使用教案04讨论过的可移植性数据类型即可。本节主要讨论第二个问题。

考虑结构体：

struct?node

{

????int8_t??a;

????int32_t?b;

????int16_t?c;

};

以上结构体，在不同的的平台中，成员的尺寸是固定不变的，但由于不同平台下各个成员的m值可能会发生改变，因此成员之间的相对位置可能是飘忽不定的，这对数据的可移植性提出了挑战。

解决的办法有两种：

• 第一，固定每一个成员的m值，也就是每个成员之间的塞入固定大小的填充物固定位置：

struct?node

{

????int8_t??a __attribute__((aligned(1))); // 将 m 值固定为1

????int64_t?b __attribute__((aligned(8))); // 将 m 值固定为8

????int16_t?c __attribute__((aligned(2))); // 将 m 值固定为2

};

• 第二，将结构体压实，也就是每个成员之间不留任何空隙：

struct?node

{

????int8_t??a;

????int64_t?b;

????int16_t?c;

} __attribute__((packed));

//__attribute__();

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cs