11.结构体

typedef

typedef 可以让你为现有的类型创建一个别名。例如，如果你想简化指针类型的声明：

typedef unsigned long ulong;

这样，你可以使用 ulong 来代替 unsigned long。

对于复杂的类型，如函数指针，typedef 也能大大简化声明：

假设我们有一个函数，它接受两个 int 参数并返回一个 int：

int add(int a, int b) {return a + b;
}

我们可以使用 typedef 来定义一个指向这种类型函数的指针类型：

// 定义一个名为 FuncPtr 的类型，它是指向函数的指针
// 该函数接受两个 int 参数，返回一个 int
typedef int (*FuncPtr)(int, int);// 现在可以像使用普通类型一样声明函数指针变量
FuncPtr ptr = add;  // ptr 指向 add 函数// 调用函数
int result = ptr(3, 4);  // result = 7

这使得声明比较函数指针更加直观。

结构体 (struct)

结构体是一种用户自定义的数据类型，它可以包含多个不同类型的变量。每个变量称为结构体的一个成员。

定义和声明

struct Person {char name[50];int age;float height;
};// 声明结构体变量
struct Person person1;

为了简化结构体变量的声明，可以使用 typedef：

typedef struct {char name[50];int age;float height;
} Person;Person person1;

访问结构体成员

使用点运算符 . 来访问结构体成员：

strcpy(person1.name, "John");
person1.age = 30;
person1.height = 1.75f;

如果是指向结构体的指针，则使用箭头运算符 ->：

Person *ptr = &person1;
ptr->age = 31; // 修改年龄

结构体成员的内存布局

1. 字节对齐（Alignment）：大多数处理器要求数据按特定的字节边界对齐，这意味着结构体中的每个成员都会被放置在一个地址上，这个地址是其自身大小或处理器架构规定的最小对齐值的倍数。例如，一个4字节的整数可能需要4字节对齐。

2. 填充（Padding）：为了满足上述对齐要求，在结构体成员之间或末尾可能会插入一些未使用的字节，这被称为填充。这些填充字节确保了后续成员能够正确地对齐。

3. 总大小：结构体的总大小不仅取决于其成员的大小，还包括由于对齐要求而添加的任何填充字节。

示例

考虑以下结构体定义：

struct Example {char a;     // 1 byteint b;      // 4 bytes (假设为32位系统)short c;    // 2 bytes
};printf("%d\n", sizeof(Example)  ); // 输出12

• 内存布局:
  1. a 放在偏移 0 处，占用 1 字节。
  2. b 需要 4 字节对齐。下一个 4 字节对齐的位置是偏移 4。因此，在 a (偏移0) 和 b (偏移4) 之间需要 3 字节填充。
  3. b 占用偏移 4, 5, 6, 7。
  4. c 需要 2 字节对齐。偏移 8 是 2 字节对齐的，所以 c 可以放在偏移 8 处，占用 2 字节 (偏移 8, 9)。
  5. 结构体总大小需要是其最大成员对齐要求（4 字节）的倍数。当前总大小是 10 字节。下一个 4 字节对齐的大小是 12。因此，在末尾添加 2 字节填充。
• 总大小: 1 (a) + 3 (填充) + 4 (b) + 2 (c) + 2 (末尾填充) = 12 字节

情况二：重新排序 (b, c, a)

struct Example {int b;      // 4 bytesshort c;    // 2 byteschar a;     // 1 byte
};

• 内存布局:
  1. b 放在偏移 0 处（4 字节对齐），占用 4 字节 (0-3)。
  2. c 需要 2 字节对齐。偏移 4 是 2 字节对齐的，所以 c 放在偏移 4 处，占用 2 字节 (4-5)。
  3. a 只需要 1 字节对齐。偏移 6 是 1 字节对齐的，所以 a 放在偏移 6 处，占用 1 字节 (6)。
  4. 当前总大小是 7 字节。需要是最大成员对齐要求（4 字节）的倍数。下一个 4 字节对齐的大小是 8。因此，在末尾添加 1 字节填充。
• 总大小: 4 (b) + 2 (c) + 1 (a) + 1 (末尾填充) = 8 字节

结论: 通过将 int b (4字节) 放在最前面，可以避免在 char a 和 int b 之间产生大的填充。无论 short c 和 char a 的顺序如何，只要 int b 在最前面，最终大小都可以优化到 8 字节。这比原始的 12 字节节省了 4 字节（33%）的空间。

最佳实践：在定义结构体时，尽量将成员按大小从大到小排序（int, short, char），这样可以最大限度地减少填充字节，节省内存。

 扩展

在标准 C 语言中，结构体（struct）内部不能直接定义函数。

C 语言的结构体（struct）是一种数据聚合类型，它的主要作用是将不同类型的数据（如 int, char, float 等）组合在一起，形成一个复合的数据结构。它本身不包含行为（即函数）。

在结构体中存储函数指针来模拟现在对象调用方法

在结构体中存储函数指针,将函数的地址赋给指针，从而实现类似“结构体有函数”的效果。这是一种在 C 语言中模拟“对象”和“方法”的常用技巧。

示例：

#include <stdio.h>// 定义一个结构体
struct Calculator {int value;// 在结构体中声明函数指针void (*add)(struct Calculator*, int);void (*print)(struct Calculator*);
};// 定义函数
void calc_add(struct Calculator* calc, int num) {calc->value += num;
}void calc_print(struct Calculator* calc) {printf("Current value: %d\n", calc->value);
}int main() {struct Calculator calc = {0, calc_add, calc_print};calc.add(&calc, 10);calc.print(&calc);  // 输出: Current value: 10calc.add(&calc, 5);calc.print(&calc);  // 输出: Current value: 15return 0;
}

在这个例子中：

• struct Calculator 包含一个数据成员 value 和两个函数指针成员 add 和 print。
• 我们将实际函数的地址赋给了这些指针。
• 通过结构体变量调用 calc.add(&calc, 10)，看起来就像是在调用一个方法（虽然需要手动传入 this 指针）。

 为什么不能直接写函数？

C 语言的设计哲学是过程式和面向过程的。函数是独立于数据的。结构体纯粹用于组织数据。这与 C++ 等面向对象语言有本质区别。

 注意：C++ 中的结构体

如果你使用的是 C++，那么情况完全不同！在 C++ 中：

• struct 和 class 非常相似。
• 结构体（struct）内部可以定义函数（成员函数）、构造函数、析构函数等。
• C++ 的 struct 默认成员是 public 的。

// 这是 C++ 代码！
struct Calculator {int value;// C++ 中允许在 struct 内定义函数void add(int num) {value += num;}void print() {printf("Current value: %d\n", value);}
};

所以，在纯 C 语言环境下，记住：结构体里不能写函数，但可以写指向函数的指针。