【C语言】C语言自定义类型：结构体全面解析（声明/初始化/传参/访问/内存对齐/实现位段）

小年糕是糕手

发布于 2026-01-14 14:41:19

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文章被收录于专栏：C++学习C++学习

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里稍微复习一下：

一、结构体类型的声明

1、常见声明

struct tag
{
 member-list;
}variable-list;

例如描述一个学生：

struct Stu
{
 char name[20];//名字 
 int age;//年龄 
 char sex[5];//性别 
 char id[20];//学号 
}; //分号不能丢

2、特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

//匿名结构体类型 
struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}x;
struct
{
 int a;
 char b;
 float c;
}a[20], *p;

但是我们要注意一点的是：匿名结构体类型只能用一次，后期不能使用这个类型再创建变量但是是可以一次创建多个变量的。

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？ p = &x;

警告：

编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的。匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次。

结构体重命名我们要我们之前学过的一个关键字：typedef

typedef struct
{
	int a;
	char b;
	double c;
}S;//将这个结构体命名为S

二、结构体变量的创建和初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
 char name[20];//名字 
 int age;//年龄 
 char sex[5];//性别 
 char id[20];//学号 
};
int main()
{
 //按照结构体成员的顺序初始化 
 struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
 printf("name: %s\n", s.name);
 printf("age : %d\n", s.age);
 printf("sex : %s\n", s.sex);
 printf("id : %s\n", s.id);
 
 //按照指定的顺序初始化 
 struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = 
"⼥" };
 printf("name: %s\n", s2.name);
 printf("age : %d\n", s2.age);
 printf("sex : %s\n", s2.sex);
 printf("id : %s\n", s2.id);
 return 0;
}

这里的struct Stu s就是在创建一个结构体类型的变量，变量名字叫s，类似于我们前面学过的int、double、char这些，也是一种类型，不过这是一种自定义的类型。

三、结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？比如，定义一个链表的节点（后期数据结构中还会介绍）：

struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？

仔细分析，其实是不行的，因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，这样结构体变量的大小就会无穷的大，是不合理的。

正确的自引用方式：

struct Node{
 int data;
 struct Node* next;
};

在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引入问题，看看下面的代码，可行吗？

typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;

答案是不行的，因为Node是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的，但是在匿名结构体内部提前使用Node类型来创建成员变量，这是不行的。

解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体了

typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

四、结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。现在我们深入讨论一问题：计算结构体的大小。这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

1、对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

结构体的第 1 个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为 0 的地址处。
从第 2 个成员变量开始，都要对齐到某个对齐数的整数倍的地址处。

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员变量大小的较小值。

VS 中默认的值为 8
Linux 中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

下面给出几组练习：

//练习1 
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2 
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3 
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题 
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

大家可以自行尝试，下面我会给出图解：

留下一个练习四供大家自行解决，答案是32.

2、offsetof

//offsetof(type,member)
//这是标准库里提供的一个宏
//他有俩参数，一个是结构体类型type，一个是结构体成员名字member
//他返回的是一个偏移量(相较于起始位置)，size_t类型的
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct s
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};
int main()
{
	struct s S;
	printf("%zu\n", offsetof(struct s, c1));
	printf("%zu\n", offsetof(struct s, c2));
	printf("%zu\n", offsetof(struct s, a));
	return 0;
}

3、为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是这样说的：

平台原因 (移植原因): 不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
性能原因: 数据结构 (尤其是栈) 应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。假设一个处理器总是从内存中取 8 个字节，则地址必须是 8 的倍数。如果我们能保证将所有的 double 类型的数据的地址都对齐成 8 的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个 8 字节内存块中。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到: 让占用空间小的成员尽量集中在一起

//例如： 
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

S1 和 S2 类型的成员一模一样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了一些区别。

4、修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1 
struct S
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认 
int main()
{
 //输出的结果是什么？ 
 printf("%d\n", sizeof(struct S));
 return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

五、结构体传参

struct S
{
 int data[1000];
 int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参 
void print1(struct S s)
{
 printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参 
void print2(struct S* ps)
{
 printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
 print1(s); //传结构体 
 print2(&s); //传地址 
 return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？答案是：首选print2函数。原因：函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。 结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

六、结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力，有的同学说我只知道段位，位段究竟是什么东西呢？

1、什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

位段的成员必须是 int、unsigned int 或 signed int ，在 C99 中位段成员的类型也可以选择其他整型家族类型，比如：char。
位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

A就是一个位段类型。那位段A所占内存的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

2、位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型 2. 位段的空间上是按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟的。 3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。

//⼀个例⼦ 
struct S
{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

3、位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
位段中最大位的数目不能确定。（16 位机器最大 16，32 位机器最大 32，写成 27，在 16 位机器会出问题。
位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配，标准尚未定义。
当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

总结: 跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

4、位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

5、位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址，一个字节内部的bit位是没有地址的。所以不能对位段的成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

struct A
{
 int _a : 2;
 int _b : 5;
 int _c : 10;
 int _d : 30;
};
int main()
{
 struct A sa = {0};
 scanf("%d", &sa._b);//这是错误的 
 
 //正确的⽰范 
 int b = 0;
 scanf("%d", &b);
 sa._b = b;
 return 0;
}

七、编程练习

练习一：变种水仙花_牛客题霸_牛客网

我们通过这个例子可以非常迅速写出这样一段代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int num = 0;
	for (num = 10000; num < 100000; num++)
	{
		int a = num / 10;
		int b = num % 10;
		int i = a * b;
		
		int c = num / 100;
		int d = num % 100;
		int j = c * d;

		int e = num / 1000;
		int f = num % 1000;
		int k = e * f;

		int g = num / 10000;
		int h = num % 10000;
		int l = g * h;
		if (num == i + j + k + l)
			printf("%d ", num);
	}
	return 0;
}

非常的通俗易懂，但是我们要想想之前学过的模拟实现计算器之类的题目，代码杂糅太多了，我们可以再将它们糅合在一起：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int i;
	for (i = 10000; i < 100000; i++)
	{
		int sum = 0;
		int j = 0;
		int tap = i;
		for (j = 10; j <= 10000; j *= 10)
		{
			sum = sum + (tap % j) * (tap / j);
		}
		if (sum == i)
		{
			printf("%d ", i);
		}
	}
}

练习二：序列中删除指定数字_牛客题霸_牛客网

#include<stdio.h>
int main() {
    //满足三行输入
    int n;
    scanf("%d", &n);
    int arr[50] = { 0 };
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }
    int del;
    scanf("%d", &del);
    //开始删除
    int i = 0;//将上面的i重新置为0
    int j = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    {
        if (arr[i] != del) 
        {
            arr[j] = arr[i];
            j++;
        }
    }
    //最后打印
    for (int k = 0; k < j; k++)
    {
        printf("%d ", arr[k]);
    }
    return 0;
}

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