C语言结构体作用研究展示

C语言中的结构体有何作用

结构体成员变量内存对齐有何讲究(重点)

对于一些概念的说明，我就不把C语言教材上的定义搬上来。我们坐下来慢慢聊吧。

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结构体有何作用

三个月前，教研室里一个学长在华为南京研究院的面试中就遇到这个问题。当然，这只是面试中最基础的问题。如果问你你怎么回答？

我的理解是这样的，C语言中结构体至少有以下三个作用：

(1)有机地组织了对象的属性。

比如，在STM32的RTC开发中，我们需要数据来表示日期和时间，这些数据通常是年、月、日、时、分、秒。如果我们不用结构体，那么就需要定义6个变量来表示。这样的话程序的数据结构是松散的，我们的数据结构最好是“高内聚，低耦合”的。所以，用一个结构体来表示更好，无论是从程序的可读性还是可移植性还是可维护性皆是：

typedef struct //公历日期和时间结构体

{

vu16 year;

vu8 month;

vu8 date;

vu8 hour;

vu8 min;

vu8 sec;

}_calendar_obj;

_calendar_obj calendar; //定义结构体变量

(2)以修改结构体成员变量的方法代替了函数(入口参数)的重新定义。

如果说结构体有机地组织了对象的属性表示结构体“中看”，那么以修改结构体成员变量的方法代替函数(入口参数)的重新定义就表示了结构体“中用”。继续以上面的结构体为例子，我们来分析。假如现在我有如下函数来显示日期和时间：

void DsipDateTime( _calendar_obj DateTimeVal)

那么我们只要将一个_calendar_obj这个结构体类型的变量作为实参调用DsipDateTime()即可，DsipDateTime()通过DateTimeVal的成变量来实现内容的显示。如果不用结构体，我们很可能需要写这样的一个函数：

void DsipDateTime( vu16 year，vu8 month，vu8 date，vu8 hour，vu8 min，vu8 sec)

显然这样的形参很不可观，数据结构管理起来也很繁琐。如果某个函数的返回值得是一个表示日期和时间的数据，那就更复杂了。这只是一方面。

另一方面，如果用户需要表示日期和时间的数据中还要包含星期(周)，这个时候，如果之前没有用机构体，那么应该在DsipDateTime()函数中在增加一个形参vu8 week：

void DsipDateTime( vu16 year，vu8 month，vu8 date，vu8 week，vu8 hour，vu8 min，vu8 sec)

可见这种方法来传递参数非常繁琐。所以以结构体作为函数的入口参数的好处之一就是

函数的声明void DsipDateTime( _calendar_obj DateTimeVal)不需要改变，只需要增加结构体的成员变量，然后在函数的内部实现上对calendar.week作相应的处理即可。这样，在程序的修改、维护方面作用显著。

typedef struct //公历日期和时间结构体

{

vu16 year;

vu8 month;

vu8 date;

vu8 week;

vu8 hour;

vu8 min;

vu8 sec;

}_calendar_obj;

_calendar_obj calendar; //定义结构体变量

(3)结构体的内存对齐原则可以提高CPU对内存的访问速度(以空间换取时间)。

并且，结构体成员变量的地址可以根据基地址(以偏移量offset)计算。我们先来看看下面的一段简单的程序，对于此程序的分析会在第2部分结构体成员变量内存对齐中详细说明。

#include<stdio.h>

int main()

{

struct //声明结构体char_short_long

{

char c;

short s;

long l;

}char_short_long;

struct //声明结构体long_short_cha

{

long l;

short s;

char c;

}long_short_char;

struct //声明结构体char_long_short

{

char c;

long l;

short s;

}char_long_short;

printf(" \n");

printf(" Size of char = %d bytes\n",sizeof(char));

printf(" Size of shrot = %d bytes\n",sizeof(short));

printf(" Size of long = %d bytes\n",sizeof(long));

printf(" \n"); //char_short_long

printf(" Size of char_short_long = %d bytes\n",sizeof(char_short_long));

printf(" Addr of char_short_long.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.c,&char_short_long.c);

printf(" Addr of char_short_long.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.s,&char_short_long.s);

printf(" Addr of char_short_long.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.l,&char_short_long.l);

printf(" \n");

printf(" \n"); //long_short_cha

printf(" Size of long_short_char = %d bytes\n",sizeof(long_short_char));

printf(" Addr of long_short_char.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.l,&long_short_char.l);

printf(" Addr of long_short_char.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.s,&long_short_char.s);

printf(" Addr of long_short_char.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.c,&long_short_char.c);

printf(" \n");

printf(" \n"); //char_long_short

printf(" Size of char_long_short = %d bytes\n",sizeof(char_long_short));

printf(" Addr of char_long_short.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.c,&char_long_short.c);

printf(" Addr of char_long_short.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.l,&char_long_short.l);

printf(" Addr of char_long_short.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.s,&char_long_short.s);

printf(" \n");

return 0;

short s;

long l;

}char_short_long;

struct //声明结构体long_short_cha

{

long l;

short s;

char c;

}long_short_char;

struct //声明结构体char_long_short

{

char c;

long l;

short s;

}char_long_short;

printf(" \n");

printf(" Size of char = %d bytes\n",sizeof(char));

printf(" Size of shrot = %d bytes\n",sizeof(short));

printf(" Size of long = %d bytes\n",sizeof(long));

printf(" \n"); //char_short_long

printf(" Size of char_short_long = %d bytes\n",sizeof(char_short_long));

printf(" Addr of char_short_long.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.c,&char_short_long.c);

printf(" Addr of char_short_long.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.s,&char_short_long.s);

printf(" Addr of char_short_long.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_short_long.l,&char_short_long.l);

printf(" \n");

printf(" \n"); //long_short_cha

printf(" Size of long_short_char = %d bytes\n",sizeof(long_short_char));

printf(" Addr of long_short_char.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.l,&long_short_char.l);

printf(" Addr of long_short_char.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.s,&long_short_char.s);

printf(" Addr of long_short_char.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&long_short_char.c,&long_short_char.c);

printf(" \n");

printf(" \n"); //char_long_short

printf(" Size of char_long_short = %d bytes\n",sizeof(char_long_short));

printf(" Addr of char_long_short.c = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.c,&char_long_short.c);

printf(" Addr of char_long_short.l = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.l,&char_long_short.l);

printf(" Addr of char_long_short.s = 0x%p (10进制：%d)\n",&char_long_short.s,&char_long_short.s);

printf(" \n");

return 0;

所以，结构体成员变量的放置顺序影响着结构体所占的内存空间的大小。一个结构体变量所占内存的大小不一定等于其成员变量所占空间之和。如果一个用户程序或者操作系统(比如uC/OS-II)中存在大量结构体变量时，这种内存占用必须要进行优化，也就是说，结构体内部成员变量的排列次序是有讲究的。

结构体成员变量到底是如何存放的呢？

在这里，我就不卖关子了，直接给出如下结论，在没有#pragma pack宏的情况下：

原则1 结构（struct或联合union）的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int在32位机为4字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

原则2 结构体的总大小，也就是sizeof的结果，必须是其内部最大成员的整数倍，不足的要补齐。

*原则3 结构体作为成员时，结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素时，那么b应该从8的整数倍地址处开始存储，因为sizeof(double) = 8 bytes）

这里，我们结合上面的程序来分析(暂时不讨论原则3)。

先看看char_short_long和long_short_char这两个结构体，从它们的成员变量的地址可以看出来，这两个结构体符合原则1和原则2。注意，在 char_short_long的成员变量的地址中， char_short_long.s的地址是1244994，也就是说，1244993是“空的”，只是被“占位”了！