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型別或不同型別的資料構成的資料集合，叫做結構。
• 結構體(struct)：是一種複合資料型別，結構型別。
  注：“結構”是一種構造型別，它是由若干“成員”組成的。 每一個成員可以是一個基本資料型別或者又是一個構造型別。 結構即是一種“構造”而成的資料型別， 那麼在說明和使用之前必須先定義它，也就是構造它。如同在說明和呼叫函式之前要先定義一樣。

1.2 C語言中的結構體

• 說明：在C語言中，結構體(struct)是複合資料型別的一種。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型別，成員一般用名字訪問。結構體可以被宣告為變數、指標或陣列等，用以實現較複雜的資料結構。
  
  注：在C語言中，結構體不能包含函式。

• 定義與宣告：
  (1)示例程式碼一：

  struct tag 
  {
      member-list
  }variable-list;
  注：struct為結構體關鍵字；
     tag為結構體的標誌；
     member-list為結構體成員變數列表，其必須列出其所有成員；
     variable-list為此結構體宣告的變數；

  (2)示例程式碼二：

  //此宣告聲明瞭擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字元型的b和雙精度的c，但沒有標明其標籤，聲明瞭結構體變數s1
  struct 
  {
      int a;
      char b;
      double c;
  } s1;
  
  //此宣告聲明瞭擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字元型的b和雙精度的c，結構體的標籤被命名為SIMPLE，用SIMPLE標籤的結構體，另外聲明瞭變數t1, t2[20], *t3
   
  
  struct SIMPLE
  {
      int a;
      char b;
      double c;
  };
  SIMPLE t1, t2[20], *t3; 
  
  //可以用typedef建立新型別，此宣告聲明瞭擁有3個成員的結構體，分別為整型的a，字元型的b和雙精度的c，結構體的標籤被命名為Simple2，用Simple2作為型別宣告新的結構體變數u1, u2[20], *u3
  typedef struct
  {
      int a;
      char b;
      double c; 
  } Simple2;
  Simple2 u1, u2[20], *u3;//若去掉typedef則編譯報錯，error C2371: “Simple2”: 重定義；不同的基型別
   
  
  
  注：在上面的宣告中，第一個和第二宣告被編譯器當作兩個完全不同的型別，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，結構體不能包含函式。在面向物件的程式設計中，物件具有狀態（屬性）和行為，狀態儲存在成員變數中，行為通過成員方法（函式）來實現。C語言中的結構體只能描述一個物件的狀態，不能描述一個物件的行為。在C++中，考慮到C語言到C++語言過渡的連續性，對結構體進行了擴充套件，C++的結構體可以包含函式，這樣，C++的結構體也具有類的功能，與class不同的是，結構體包含的函式預設為public，而不是private。
  注：在C++中，結構體可以包含函式。

• 定義與宣告：
  (1)示例程式碼一：

  struct tag 
  {
      member-list
  }variable-list;
  注：struct為結構體關鍵字；
     tag為結構體的標誌；
     member-list為結構體成員變數及成員函式列表，其必須列出其所有成員；
     variable-list為此結構體宣告的變數；

  (2)示例程式碼二：

  
  #include <iostream> 
  
  using namespace std;
  
  struct SAMPLE
  {
      int x;
      int y;
      int add() {return x+y;}
  }s1;
  
  int main()
  {
      cout<<"沒初始化成員變數的情況下："<<s1.add()<<endl;
      s1.x = 3;
      s1.y = 4;
      cout<<"初始化成員變數的情況下："<<s1.add()<<endl;
      system("pause");
      return 0;
  }
  =>沒初始化成員變數的情況下：0
    初始化成員變數的情況下：7

• C++中的結構體與類的區別：
  (1)class中預設的成員訪問許可權是private的，而struct中則是public的。
  (2)class繼承預設是private繼承，而從struct繼承預設是public繼承。

1.4 結構體的作用

• 在實際專案中，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型別。由於C語言內部程式比較簡單，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。
• 結構體在函式中的作用不是簡便，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麼，只要根據定義使用就可以了。

1.5 結構體的大小與記憶體對齊

• 預設的對齊方式：各成員變數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，空缺的位元組VC會自動填充。同時VC為了確保結構的大小為結構的位元組邊界數（即該結構中佔用最大空間的型別所佔用的位元組數）的倍數，所以在為最後一個成員變數申請空間後，還會根據需要自動填充空缺的位元組。
  注：VC對變數儲存的一個特殊處理。為了提高CPU的儲存速度，VC對一些變數的起始地址做了“對齊”處理。在預設情況下，VC規定各成員變數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數的型別所佔用的位元組數的倍數。
  (1)示例程式碼一：

  struct MyStruct
  {
      double dda1;
      char dda;
      int type;
  };
  //錯：sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13。
  //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），該成員變數佔用sizeof(double)=8個位元組；
  (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，該成員變數佔用sizeof(char)=1個位元組；
  (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個位元組（這三個位元組沒有放什麼東西），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，該成員變數佔用sizeof(int)=4個位元組；
  這時整個結構的成員變數已經都分配了空間，總的佔用的空間大小為：8+1+3+4=16，剛好為結構的位元組邊界數（即結構中佔用最大空間的型別所佔用的位元組數sizeof(double)=8）的倍數，所以沒有空缺的位元組需要填充。所以整個結構的大小為：sizeof(MyStruct)=8+1+3+4=16，其中有3個位元組是VC自動填充的，沒有放任何有意義的東西。
  (2)示例程式碼二：交換一下上述例子中MyStruct的成員變數的位置

  struct MyStruct
  {
      char dda;
      double dda1;
      int type;
  };
  //錯：sizeof(MyStruct)=sizeof(double)+sizeof(char)+sizeof(int)=13。
  //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），該成員變數佔用sizeof(char)=1個位元組；
  (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個位元組才能使偏移量變為8（滿足對齊方式），因此VC自動填充7個位元組，dda1存放在偏移量為8的地址上，它佔用8個位元組；
  (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，該成員變數佔用sizeof(int)=4個位元組；
  這時整個結構的成員變數已經都分配了空間，總的佔用的空間大小為：1+7+8+4=20，不是結構的節邊界數（即結構中佔用最大空間的型別所佔用的位元組數sizeof(double)=8）的倍數，所以需要填充4個位元組，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個位元組是VC自動填充的，沒有放任何有意義的東西。

• 位元組的對齊方式：在VC中提供了#pragmapack(n)來設定變數以n位元組對齊方式。n位元組對齊就是說變數存放的起始地址的偏移量有兩種情況：第一，如果n大於等於該變數所佔用的位元組數，那麼偏移量必須滿足預設的對齊方式；第二，如果n小於該變數的型別所佔用的位元組數，那麼偏移量為n的倍數，不用滿足預設的對齊方式。結構的總大小也有個約束條件，分下面兩種情況：如果n大於所有成員變數型別所佔用的位元組數，那麼結構的總大小必須為佔用空間最大的變數佔用的空間數的倍數；否則必須為n的倍數。
  注：VC對結構的儲存的特殊處理確實提高了CPU儲存變數的速度，但有時也會帶來一些麻煩，我們也可以遮蔽掉變數預設的對齊方式，自己來設定變數的對齊方式。
  (1)示例程式碼：

  
  #pragmapack(push)//儲存對齊狀態
  
  
  #pragmapack(4)//設定為4位元組對齊
  
  struct test
  {
      char m1;
      double m4;
      int m3;
  };
  
  #pragmapack(pop)//恢復對齊狀態
  

  注：以上結構的大小為16，下面分析其儲存情況。
  (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位元組對齊），m1佔用1個位元組；
  (2)接著開始為m4分配空間，這時其偏移量為1，需要補足3個位元組，這樣使偏移量滿足為n=4的倍數（因為sizeof(double)大於n）,m4佔用8個位元組；
  (3)接著為m3分配空間，這時其偏移量為12，滿足為4的倍數，m3佔用4個位元組；
  這時已經為所有成員變數分配了空間，共分配了16個位元組，滿足為n的倍數。如果把上面的#pragmapack(4)改為#pragma pack(8)，那麼我們可以得到結構的大小為24。

參考文獻：
[1]《C++全方位學習》範磊——第六章
[2]《C++程式設計教程（第二版）》錢能——第八章
[3] 百度搜索關鍵字：結構體、結構體的作用、結構體的大小與記憶體對齊