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结构体的自定义类型

结构体的意义

结构体是一种强类型的数据结构，它可以将多个不同类型的数据联合起来，形成一个单一的数据项。这种数据结构在程序开发中具有以下意义：

结构体的定义

结构体的定义通常使用 struct 关键字，并按照以下格式进行：

struct 结构体名 {
    数据类型 数据名[长度];
    // 其他数据项
};

例如，定义一个学生结构体：

struct Stu {
    char name[20];  // 姓名，最大20个字符
    int age;       // 年龄
    char sex[5];   // 性别，最大5个字符
    char id[20];   // 学号，最大20个字符
};

结构体的自引用

结构体可以包含自身的指针，这种情况被称为结构体的自引用。这种特性在链表节点的定义中尤为常见。

例如，定义一个链表节点结构体：

struct Node {
    int data;    // 数据节点
    struct Node* next;  // 指向下一个节点
};

在这个结构体中，next 指针可以指向一个 struct Node 类型的结构体实例。编译器在编译时已经知道一个指针所占的空间长度，因此可以为其分配相应的存储空间，这样就实现了结构体的自引用。

这种特性使得链表等数据结构能够在程序中自行扩展，非常适合用于动态数据的处理。

结构体变量的定义与初始化

结构体变量的定义可以分为以下几种方式：

struct Point {
    int x;  // x坐标
    int y;  // y坐标
} p1;  // 在声明的同时定义结构体变量 p1

2. 单独定义并初始化：

struct Point p2;  // 定义结构体变量 p2，但未初始化

3. 初始化时定义变量：

struct Point p3 = {
    x: 3,  // x坐标为3
    y: 7   // y坐标为7
};

需要注意的是，某些编译器可能需要使用 struct Point p3 = { ... }; 的格式来初始化结构体变量。

结构体内存对齐

内存对齐是指将数据项的起始地址对齐到字节边界上。现代处理器的内存访问是按固定大小（如4字节或8字节）进行的。对于未对齐的内存访问，需要使用两次内存读写操作才能完成一次数据传输，这会显著降低程序的运行效率。

为什么要内存对齐？

• 性能原因：未对齐的内存访问会导致处理器多次读写内存，增加系统资源消耗，降低程序运行速度。
• 缓存一致性：未对齐的内存访问会破坏缓存的一致性，影响程序的稳定性。

如何实现内存对齐

内存对齐可以通过两种方式实现：

4. 手动对齐：

// 假设int类型占用4字节
int* ptr = (int*)aligned_malloc(4, sizeof(int));
// 使用ptr指针进行内存操作
free(ptr);

2. 编译器自动对齐：大多数现代编译器都支持内存对齐功能，可以通过编译器选项启用。

内存对齐练习

例如，以下代码段展示了int类型数据的内存对齐情况：

int a, b, c;
// a和b未对齐，c对齐

在运行时，a和b的内存地址将偏移至字节边界上，而c的内存地址则对齐到字节边界上。通过检查内存地址，可以发现c的内存地址是连续的，而a和b的内存地址则存在间隙。

嵌套结构体的内存对齐数计算则需要根据各个数据项的对齐数进行累加。例如，以下结构体：

struct {
    int a;  // 4字节，需要对齐
    double b;  // 8字节，需要对齐
} x;

其内存对齐数为 4 + 8 = 12 字节。

通过上述方法，可以有效地理解和管理结构体内存对齐问题，确保程序的高效运行。