1. 結構體(struct)

1.1 結構體的概念

結構體(struct)：是由一系列具有相同類型或不同類型的數據構成的數據集合，叫做結構。
結構體(struct)：是一種復合數據類型，結構類型。
注：“結構”是一種構造類型，它是由若干“成員”組成的。每一個成員可以是一個基本數據類型或者又是一個構造類型。結構即是一種“構造”而成的數據類型，那么在說明和使用之前必須先定義它，也就是構造它。如同在說明和調用函數之前要先定義一樣。

1.2 C語言中的結構體

說明：在C語言中，結構體(struct)是復合數據類型的一種。同時也是一些元素的集合，這些元素稱為結構體的成員，且這些成員可以為不同的類型，成員一般用名字訪問。結構體可以被聲明為變量、指針或數組等，用以實現較復雜的數據結構。
注：在C語言中，結構體不能包含函數。

定義與聲明： (1)示例代碼一：

1 struct tag 
2 {
3     member-list
4 }variable-list;
5 注：struct為結構體關鍵字；
6    tag為結構體的標志；
7    member-list為結構體成員變量列表，其必須列出其所有成員；
8    variable-list為此結構體聲明的變量；

(2)示例代碼二：

 1 //此聲明聲明了擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字符型的b和雙精度的c，但沒有標明其標簽，聲明了結構體變量s1
 2 struct 
 3 {
 4     int a;
 5     char b;
 6     double c;
 7 } s1;
 8 
 9 //此聲明聲明了擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字符型的b和雙精度的c，結構體的標簽被命名為SIMPLE，用SIMPLE標簽的結構體，另外聲明了變量t1, t2[20], *t3
10 struct SIMPLE
11 {
12     int a;
13     char b;
14     double c;
15 };
16 SIMPLE t1, t2[20], *t3; 
17 
18 //可以用typedef創建新類型，此聲明聲明了擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字符型的b和雙精度的c，結構體的標簽被命名為Simple2，用Simple2作為類型聲明新的結構體變量u1, u2[20], *u3
19 typedef struct
20 {
21     int a;
22     char b;
23     double c; 
24 } Simple2;
25 Simple2 u1, u2[20], *u3;//若去掉typedef則編譯報錯，error C2371: “Simple2”: 重定義；不同的基類型
26 
27 注：在上面的聲明中，第一個和第二聲明被編譯器當作兩個完全不同的類型，即使他們的成員列表是一樣的，如果令t3=&s1，則是非法的。

注：在一般情況下，tag、member-list、variable-list這3部分至少要出現2個。

1.3 C++中的結構體

說明：在C語言中，結構體不能包含函數。在面向對象的程序設計中，對象具有狀態（屬性）和行為，狀態保存在成員變量中，行為通過成員方法（函數）來實現。C語言中的結構體只能描述一個對象的狀態，不能描述一個對象的行為。在C++中，考慮到C語言到C++語言過渡的連續性，對結構體進行了擴展，C++的結構體可以包含函數，這樣，C++的結構體也具有類的功能，與class不同的是，結構體包含的函數默認為public，而不是private。
注：在C++中，結構體可以包含函數。
定義與聲明：

(1)示例代碼一：

1 struct tag 
2 {
3     member-list
4 }variable-list;
5 注：struct為結構體關鍵字；
6    tag為結構體的標志；
7    member-list為結構體成員變量及成員函數列表，其必須列出其所有成員；
8    variable-list為此結構體聲明的變量；

(2)示例代碼二：

 1 #include <iostream> 
 2 
 3 using namespace std;
 4 
 5 struct SAMPLE
 6 {
 7     int x;
 8     int y;
 9     int add() {return x+y;}
10 }s1;
11 
12 int main()
13 {
14     cout<<"沒初始化成員變量的情況下："<<s1.add()<<endl;
15     s1.x = 3;
16     s1.y = 4;
17     cout<<"初始化成員變量的情況下："<<s1.add()<<endl;
18     system("pause");
19     return 0;
20 }
21 =>沒初始化成員變量的情況下：0
22   初始化成員變量的情況下：7

C++中的結構體與類的區別： (1)class中默認的成員訪問權限是private的，而struct中則是public的。 (2)class繼承默認是private繼承，而從struct繼承默認是public繼承。

1.4 結構體的作用

在實際項目中，結構體是大量存在的。研發人員常使用結構體來封裝一些屬性來組成新的類型。由於C語言內部程序比較簡單，研發人員通常使用結構體創造新的“屬性”，其目的是簡化運算。
結構體在函數中的作用不是簡便，最主要的作用就是封裝。封裝的好處就是可以再次利用。讓使用者不必關心這個是什么，只要根據定義使用就可以了。

1.5 結構體的大小與內存對齊

默認的對齊方式：各成員變量在存放的時候根據在結構中出現的順序依次申請空間，同時按照上面的對齊方式調整位置，空缺的字節VC會自動填充。同時VC為了確保結構的大小為結構的字節邊界數（即該結構中占用最大空間的類型所占用的字節數）的倍數，所以在為最后一個成員變量申請空間后，還會根據需要自動填充空缺的字節。
注：VC對變量存儲的一個特殊處理。為了提高CPU的存儲速度，VC對一些變量的起始地址做了“對齊”處理。在默認情況下，VC規定各成員變量存放的起始地址相對於結構的起始地址的偏移量必須為該變量的類型所占用的字節數的倍數。

(1)示例代碼一：

1 struct MyStruct
2 {
3     double dda1;
4     char dda;
5     int type;
6 };
7 //錯：sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13。
8 //對：當在VC中測試上面結構的大小時，你會發現sizeof(MyStruct)為16。

注：為上面的結構分配空間的時候，VC根據成員變量出現的順序和對齊方式。

(1)先為第一個成員dda1分配空間，其起始地址跟結構的起始地址相同（剛好偏移量0剛好為sizeof(double)的倍數），該成員變量占用sizeof(double)=8個字節；
(2)接下來為第二個成員dda分配空間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為8，是sizeof(char)的倍數，所以把dda存放在偏移量為8的地方滿足對齊方式，該成員變量占用sizeof(char)=1個字節；
(3)接下來為第三個成員type分配空間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為9，不是sizeof(int)=4的倍數，為了滿足對齊方式對偏移量的約束問題，VC自動填充3個字節（這三個字節沒有放什么東西），這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為12，剛好是sizeof(int)=4的倍數，所以把type存放在偏移量為12的地方，該成員變量占用sizeof(int)=4個字節；
這時整個結構的成員變量已經都分配了空間，總的占用的空間大小為：8+1+3+4=16，剛好為結構的字節邊界數（即結構中占用最大空間的類型所占用的字節數sizeof(double)=8）的倍數，所以沒有空缺的字節需要填充。所以整個結構的大小為：sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16，其中有3個字節是VC自動填充的，沒有放任何有意義的東西。
(2)示例代碼二：交換一下上述例子中MyStruct的成員變量的位置

1 struct MyStruct
2 {
3     char dda;
4     double dda1;
5     int type;
6 };
7 //錯：sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13。
8 //對：當在VC中測試上面結構的大小時，你會發現sizeof(MyStruct)為24。

注：為上面的結構分配空間的時候，VC根據成員變量出現的順序和對齊方式。
(1)先為第一個成員dda分配空間，其起始地址跟結構的起始地址相同（剛好偏移量0剛好為sizeof(char)的倍數），該成員變量占用sizeof(char)=1個字節；
(2)接下來為第二個成員dda1分配空間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為1，不是sizeof(double)=8的倍數，需要補足7個字節才能使偏移量變為8（滿足對齊方式），因此VC自動填充7個字節，dda1存放在偏移量為8的地址上，它占用8個字節；
(3)接下來為第三個成員type分配空間，這時下一個可以分配的地址對於結構的起始地址的偏移量為16，是sizeof(int)=4的倍數，滿足int的對齊方式，所以不需要VC自動填充，type存放在偏移量為16的地址上，該成員變量占用sizeof(int)=4個字節；這時整個結構的成員變量已經都分配了空間，總的占用的空間大小為：1+7+8+4=20，不是結構的節邊界數（即結構中占用最大空間的類型所占用的字節數sizeof(double)=8）的倍數，所以需要填充4個字節，以滿足結構的大小為sizeof(double)=8的倍數。所以該結構總的大小為：sizeof(MyStruct)為1+7+8+4+4=24。其中總的有7+4=11個字節是VC自動填充的，沒有放任何有意義的東西。
字節的對齊方式：
在VC中提供了#pragmapack(n)來設定變量以n字節對齊方式。n字節對齊就是說變量存放的起始地址的偏移量有兩種情況：第一，如果n大於等於該變量所占用的字節數，那么偏移量必須滿足默認的對齊方式；第二，如果n小於該變量的類型所占用的字節數，那么偏移量為n的倍數，不用滿足默認的對齊方式。結構的總大小也有個約束條件，分下面兩種情況：如果n大於所有成員變量類型所占用的字節數，那么結構的總大小必須為占用空間最大的變量占用的空間數的倍數；否則必須為n的倍數。
注：VC對結構的存儲的特殊處理確實提高了CPU存儲變量的速度，但有時也會帶來一些麻煩，我們也可以屏蔽掉變量默認的對齊方式，自己來設定變量的對齊方式。

(1)示例代碼：

 1 #pragmapack(push)//保存對齊狀態
 2 
 3 
 4 #pragmapack(4)//設定為4字節對齊
 5 
 6 struct test
 7 {
 8     char m1;
 9     double m4;
10     int m3;
11 };
12 
13 #pragmapack(pop)//恢復對齊狀態

注：以上結構的大小為16，下面分析其存儲情況。

(1)首先為m1分配空間，其偏移量為0，滿足我們自己設定的對齊方式（4字節對齊），m1占用1個字節；
(2)接着開始為m4分配空間，這時其偏移量為1，需要補足3個字節，這樣使偏移量滿足為n=4的倍數（因為sizeof(double)大於n）,m4占用8個字節；
(3)接着為m3分配空間，這時其偏移量為12，滿足為4的倍數，m3占用4個字節；這時已經為所有成員變量分配了空間，共分配了16個字節，滿足為n的倍數。如果把上面的#pragmapack(4)改為#pragma pack(8)，那么我們可以得到結構的大小為24。

參考文獻：

[1]《C++全方位學習》范磊——第六章

[2]《C++程序設計教程（第二版）》錢能——第八章 [3]

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