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（一）结构体概述
- 结构体类型是一种自定义类型（C语言中的2种类型：原生类型和自定义类型。）
- 结构体使用时先定义结构体类型再用类型定义变量
- 两种定义结构体的方式
| 第一种 | 结构体定义时需要先定义结构体类型，然后再用类型来定义变量。 |
|---|---|
| 第二种 | 也可以在定义结构体类型的同时定义结构体变量 |
- 举例说明
#include <stdio.h>
//结构体定义的第一种
//先定义类型，再定义变量
struct people
{
char a[20];
int age;
};
//结构体定义的第二种
//定义类型的同时定义变量
struct student
{
char a[20];
int age;
}stu;
//注意和typedef区分，typedef定义的是类型别名stu,上面的stu是变量名
/*typedef struct student
{
char a[20];
int age;
}stu;
*/
int main (void)
{
struct people pep;
pep.age = 20;
printf("age = %d.\n", pep.age);
stu.age = 15;
printf("age = %d.\n", stu.age);
return 0;
}
- 数组中元素的访问方式：表面上有2种方式（数组下标方式和指针方式）；实质上都是指针方式访问。
- 结构体变量中的元素访问方式：只有一种，用
.或者->的方式来访问。（.和->访问结构体元素其实质是一样的，只是C语言规定用结构体变量来访问元素用.用结构体变量的指针来访问元素用->。实际上在高级语言中已经不区分了，都用.） - 结构体的访问方式有点类似于数组下标的方式
（二）结构体的对齐访问
1.什么是对齐？
对齐跟数据在内存中的位置有关。如果一个变量的内存地址正好位于它长度的整数倍，他就被称做自然对齐。比如在32位cpu下，假设一个整型变量的地址为0x00000004，那它就是自然对齐的
2.结构体为何要对齐访问？
- 结构体中元素对齐访问主要原因是为了配合硬件，也就是说硬件本身有物理上的限制，如果对齐排布和访问会提高效率，否则会大大降低效率。
- 内存本身是一个物理器件（DDR内存芯片，SoC上的DDR控制器），本身有一定的局限性：如果内存每次访问时按照4字节对齐访问，那么效率是最高的；如果你不对齐访问效率要低很多。
- 还有很多别的因素和原因，导致我们需要对齐访问。譬如Cache的一些缓存特性，还有其他硬件（譬如MMU、LCD显示器）的一些内存依赖特性，所以会要求内存对齐访问。
- 对比对齐访问和不对齐访问：对齐访问牺牲了内存空间，换取了速度性能；而非对齐访问牺牲了访问速度性能，换取了内存空间的完全利用。
3.结构体对齐要点
- 编译器本身可以设置内存对齐的规则，有以下的规则需要记住：（32位编译器，一般编译器默认对齐方式是4字节对齐。）
- 结构体对齐要考虑：结构体整体本身必须安置在4字节对齐处，结构体对齐后的大小必须4的倍数（编译器设置为4字节对齐时，如果编译器设置为8字节对齐，则这里的4是8）
- 结构体中每个元素本身都必须对其存放，而每个元素本身都有自己的对齐规则。
- 编译器考虑结构体存放时，以满足以上2点要求的最少内存需要的排布来算。
- 实例
#include <stdio.h>
//编译器默认4字节对齐
// 分析过程：（struct mystruct0 为例）
// 首先是整个结构体，整个结构体变量4字节对齐是由编译器保证的，我们不用操心。
// 然后是第一个元素a，a的开始地址就是整个结构体的开始地址，所以自然是4字节对齐的。但是a
// 的结束地址要由下一个元素说了算。
// 然后是第二个元素b，因为上一个元素a本身占4字节，本身就是对齐的。所以留给b的开始地址也是
// 4字节对齐地址，所以b可以直接放（b放的位置就决定了a一共占4字节，因为不需要填充）。
// b的起始地址定了后，结束地址不能定（因为可能需要填充），结束地址要看下一个元素来定。
// 然后是第三个元素c，short类型需要2字节对齐（short类型元素必须放在类似0，2，4，8这样的
// 地址处，不能放在1，3这样的奇数地址处），因此c不能紧挨着b来存放，解决方案是在b之后添加1
// 字节的填充（padding），然后再开始放c。c放完之后还没结束
// 当整个结构体的所有元素都对齐存放后，还没结束，因为整个结构体大小还要是4的整数倍。
struct mystruct0 //一字节对齐 //四字节对齐
{
int a; // 4 // 4
char b; // 1 // 2
short c; // 2 // 2
};
struct mystruct1
{
char a; // 1 // 4
int b; // 4 // 4
short c; // 2 // 4
};
int main (void)
{ // 结果
printf("sizeof(struct mystruct0) = %d.\n", sizeof(struct mystruct0)); // 8
printf("sizeof(struct mystruct1) = %d.\n", sizeof(struct mystruct1)); // 12
}
（三）结构体对齐指令
1.gcc支持但不推荐的对齐指令：#pragma pack() #pragma pack(n) (n=1/2/4/8)
- #pragma是用来指挥编译器，或者说设置编译器的对齐方式的。编译器的默认对齐方式是4，但是有时候我不希望对齐方式是4，而希望是别的（譬如希望1字节对齐，也可能希望是8，甚至可能希望128字节对齐）。
- 常用的设置编译器编译器对齐命令有2种：第一种是#pragma pack()，这种就是设置编译器1字节对齐（有些人喜欢讲：设置编译器不对齐访问，还有些讲：取消编译器对齐访问）；第二种是#pragma pack(4)，这个括号中的数字就表示我们希望多少字节对齐。
- 我们需要#pragma pack(n)开头，以#pragma pack()结尾，定义一个区间，这个区间内的对齐参数就是n。
- #prgma pack的方式在很多C环境下都是支持的，但是gcc虽然也可以不过不建议使用。
- 实例
#include <stdio.h>
//使用#pragma pack(n)对齐指令
#pragma pack(2) //两字节对齐
struct stu
{
char a;
int b;
short c;
};
#pragma pack()
//编译器默认，不使用#pragma pack(n)对齐指令
struct stu1
{
char a;
int b;
short c;
};
int main (void)
{ // 结果
printf("sizeof(struct stu) = %d.\n", sizeof(struct stu)); // 8
printf("sizeof(struct stu1) = %d.\n", sizeof(struct stu1)); // 12
return 0;
}
2.gcc推荐的对齐指令__attribute__((packed)) __attribute__((aligned(n)))
__attribute__((packed))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。packed的作用就是取消对齐访问。__attribute__((aligned(n)))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。它的作用是让整个结构体变量整体进行n字节对齐（注意是结构体变量整体n字节对齐，而不是结构体内各元素也要n字节对齐）
- 实例
#include <stdio.h>
struct stu
{
char a;
int b;
short c;
}__attribute__((packed)); //取消对齐优化
struct stu1
{
char a;
int b;
short c;
}__attribute__((aligned(2))); //设置两字节对齐
/*
struct stu2
{
int a;
char b;
short c;
}__attribute__((aligned(3))); //error :requested alignment is not a positive power of 2
*/ //__attribute__((aligned(n))); n需要是2的正次幂
struct stu3
{
int a;
char b;
short c;
}__attribute__((aligned(16))) s2; //设置16字节对齐
struct stu4
{
int a;
char b;
short c;
};
int main (void)
{ // 结果
printf("sizeof(struct stu) = %d.\n", sizeof(struct stu)); // 7
printf("sizeof(struct stu1) = %d.\n", sizeof(struct stu1)); // 12
printf("sizeof(struct stu3) = %d.\n", sizeof(struct stu3)); // 16
struct stu4 __attribute__((aligned(16))) s1 ; //定义变量时使用无效
printf("sizeof(struct stu4) = %d.\n", sizeof(s1)); // 8
printf("sizeof(struct stu4) = %d.\n", sizeof(s2)); // 16
return 0;
}
（四）offsetof宏与container_of宏
- 由结构体指针进而访问各元素的原理
- 通过结构体整体变量来访问其中各个元素，本质上是通过指针方式来访问的，形式上是通过
.的方式来访问的（这时候其实是编译器帮我们自动计算了偏移量）。
- 通过结构体整体变量来访问其中各个元素，本质上是通过指针方式来访问的，形式上是通过
1.offsetof宏
- offsetof宏的作用是：用宏来计算结构体中某个元素和结构体首地址的偏移量（其实质是通过编译器来帮我们计算）。
- offsetof宏的原理：我们虚拟一个type类型结构体变量，然后用type.member的方式来访问那个member元素，继而得到member相对于整个变量首地址的偏移量。
- 学习思路：第一步先学会用offsetof宏，第二步再去理解这个宏的实现原理。
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int) &((TYPE *)0)->MEMBER)(TYPE *)0这是一个强制类型转换，把0地址强制类型转换成一个指针，这个指针指向一个TYPE类型的结构体变量。 （实际上这个结构体变量可能不存在，但是只要我不去解引用这个指针就不会出错）。((TYPE *)0)->MEMBER(TYPE *)0是一个TYPE类型结构体变量的指针，通过指针指针来访问这个结构体变量的member元素&((TYPE *)0)->MEMBER等效于&(((TYPE *)0)->MEMBER)，意义就是得到member元素的地址。但是因为整个结构体变量的首地址是0，
- 实例
2.container_of宏
- 作用：知道一个结构体中某个元素的指针，反推这个结构体变量的指针。有了container_of宏，我们可以从一个元素的指针得到整个结构体变量的指针，继而得到结构体中其他元素的指针。
- typeof关键字的作用是：typepef(a)时由变量a得到a的类型，typeof就是由变量名得到变量数据类型的。
- 这个宏的工作原理：
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof(((type *)0)->member) * __mptr = (ptr); \
(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })
- 第一步，首先定义一个临时的数据类型（通过typeof( ((type *)0)->member )获得）与ptr相同的指针变量__mptr，然后用它来保存ptr的值。
- 第二步，用(char *)__mptr减去member在结构体中的偏移量，得到的值就是整个结构体变量的首地址（整个宏的返回值就是这个首地址）。
- 实例
#include <stdio.h>
// TYPE是结构体类型，MEMBER是结构体中一个元素的元素名
// 这个宏返回的是member元素相对于整个结构体变量的首地址的偏移量，类型是int
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int) &((TYPE *)0)->MEMBER)
// ptr是指向结构体元素member的指针，type是结构体类型，member是结构体中一个元素的元素名
// 这个宏返回的就是指向整个结构体变量的指针，类型是(type *)
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof(((type *)0)->member) * __mptr = (ptr); \
(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })
struct mystruct
{
char a;
int b;
short c;
};
int main(void)
{
struct mystruct my1;
my1.a = 12;
my1.b = 44;
my1.c = 55;
struct mystruct *pMy1 = NULL;
pMy1 = &(my1.b);
printf("my1.b的地址是 %p .\n", pMy1);
printf("结构体的首地址是 %p .\n", container_of(pMy1, struct mystruct, b));
// my1.b的地址是 0x7ffd34d35fe0 .
// 结构体的首地址是 0x7ffd34d35fdc .
// 0x7ffd34d35fe0 + 4 = 0x7ffd34d35fdc
return 0;
}
