在介紹結構之后，將看一下這個強大數據對象的一些重要應用。然后將檢查C語言語法以聲明結構。最后將簡要介紹數據對齊要求。可以通過簡單地重新排列其成員的順序來減小結構的大小。

結構

可以將在邏輯上彼此相關的同一類型的多個變量分組為數組。使用一個組而不是一組自變量，可以更方便地安排和使用數據。例如，可以定義以下數組來存儲數字化語音輸入的ADC的最后50個樣本：

uint16_t voice[50];

請注意，uint16_t是無符號整數類型，寬度恰好為16位。這是在C標準庫stdint.h中定義的，它提供了與系統規范無關的特定位長度的數據類型。數組可用于對多個具有相同數據類型的變量進行分組。如果不同數據類型的變量之間存在連接怎么辦？可以在程序中將這些變量視為一個組嗎？例如，假設需要指定生成上述語音 陣列的ADC的采樣率。可以定義一個浮點變量來存儲采樣率：

float sample_rate;

盡管變量voice和sample_rate彼此相關，但它們被定義為兩個獨立變量。為了將這兩個變量相互關聯，我們可以使用稱為結構的C語言的強大數據結構。結構允許將不同的數據類型進行分組并將它們作為單個數據對象處理。結構可以包括不同種類的變量類型，例如其他結構、指向函數的指針、指向結構的指針等。對于語音示例可以使用以下結構：

struct record {

uint16_t voice[50];

float sample_rate;

};

在這種情況下，有一個名為record的結構，它有兩個不同的成員或字段：第一個成員是uint16_t元素的數組，第二個成員是float類型的變量。語法以關鍵字struct開頭。struct關鍵字后面的單詞是一個可選名稱，用于以后引用該結構。將在本文的其余部分討論定義和使用結構的其他細節。

結構的重要性

上面的例子指出了結構的一個重要應用，即定義了可以將不同類型的單個變量相互關聯的依賴于應用程序的數據對象。這不僅可以實現操作數據的有效方式，還可以實現稱為數據結構的專用結構。數據結構可用于各種應用，例如兩個嵌入式系統之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數據存儲在非連續存儲器位置中。

圖1.結構可用于實現鏈表

另外，當程序需要訪問內存映射微控制器外圍設備的寄存器時，結構是有用的數據對象。

圖2.STM32 MCU的存儲器映射。圖片由ARM

聲明結構

要使用結構，首先需要指定結構模板。請考慮以下示例代碼：

struct record {

uint16_t voice[4];

float sample_rate;

};

這指定了用于創建此類型的未來變量的布局或模板。該模板包含一個uint16_t數組和一個float類型的變量。模板的名稱是record，它位于關鍵字struct之后。值得一提的是，存儲結構模板沒有內存分配。只有在定義了基于此布局的結構變量之后，才會進行內存分配。以下代碼聲明了上述模板的變量mic1：

struct record mic1;

為變量mic1分配了一段內存。它有空間來存儲數組的四個uint16_t元素和一個float變量。可以使用成員運算符（.）訪問結構的成員。例如，以下代碼將100分配給數組的第一個元素，并將sample_rate的值復制到fs變量（必須是float類型）。

mic1.voice[0]=100;

fs=mic1.sample_rate;

聲明結構的其他方法

我們在前一節中研究了一種聲明結構的方法。C語言支持本節中將要討論的一些其他格式。你可能會在整個程序中堅持使用一種格式，但熟悉其他格式有時可能會有所幫助。聲明結構模板的一般語法是：

struct tag_name {

type_1 member_1;

type_2 member_2;

…

type_n member_n;

} variable_name;

該tag_name和variable_name是可選的標識符。我們通常會看到這兩個標識符中的至少一個，但在某些情況下我們可以消除它們。語法1：當tag_name和variable_name都存在時，我們就在模板之后定義結構變量。使用此語法，我們可以重寫上一個示例，如下所示：

struct record {

uint16_t voice[4];

float sample_rate;

} mic1;

現在，如果我們需要定義另一個變量（mic2），我們可以編寫

struct record mic2;

語法2：僅包含variable_name。使用這種語法，我們可以重寫上一節中的示例，如下所示：

struct {

uint16_t voice[4];

float sample_rate;

} mic1;

在這種情況下，我們必須在模板之后定義所有變量，并且我們不能在程序中定義任何其他變量（因為模板沒有名稱，我們以后也不能引用它）。

語法3：在這種情況下，沒有tag_name或variable_name。以這種方式定義的結構模板稱為匿名結構。可以在另一個結構或聯合中定義匿名結構。下面給出一個例子：

struct test {

// Anonymous structure

struct {

float f;

char a;

};

} test_var;

要訪問上述匿名結構的成員，我們可以使用成員運算符（.）。以下代碼將1.2分配給成員f。

test_var.f=1.2;

由于結構是匿名的，所以我們只使用一次成員運算符來訪問它的成員。如果它有如下示例中所示的名稱，則必須使用成員運算符兩次：

struct test {

struct {

float f;

char a;

} nested;

} test_var;

在這種情況下，我們應該使用以下代碼將1.2分配給f：

test_var.nested.f=1.2;

如你所見，匿名結構可以使代碼更具可讀性和更簡潔。也可以使用typedef關鍵字和結構來定義新的數據類型。我們將在以后的文章中介紹這種方法。

結構的內存布局

C標準保證結構的成員將按照在結構中聲明成員的順序一個接一個地位于內存中。第一個成員的內存地址將與結構本身的地址相同。請考慮以下示例：

struct Test2{

uint8_t c;

uint32_t d;

uint8_t e;

uint16_t f;

} MyStruct;

將分配四個存儲器位置來存儲變量C、D、E和F。內存位置的順序將與聲明成員的順序相匹配：C的位置將具有最低地址，然后是D、E和最終的F。我們需要多少字節來存儲這個結構？考慮到變量的大小，我們知道，至少需要1 + 4 + 1 + 2 = 8個字節來存儲這個結構。但是，如果我們為32位機器編譯這段代碼，我們會驚奇地發現MyStruct的大小是12個字節而不是8個字節！這是因為編譯器在為結構的不同成員分配內存時具有某些約束。例如，32位整數只能存儲在地址可被4整除的內存位置。實現這種稱為數據對齊要求的約束，以使處理器更有效地訪問變量。數據對齊會導致內存布局中的一些浪費空間（或填充）。這個主題只在這里介紹; 我們將在本系列的下一篇文章中詳細介紹。

圖3.數據對齊導致內存布局中的一些浪費

了解數據對齊要求后，我們可能能夠重新排列結構中成員的順序，并提高內存使用效率。例如，如果我們重寫上面給出的結構，它的大小將在32位機器上減少到8個字節。

struct Test2{

uint32_t d;

uint16_t f;

uint8_t c;

uint8_t e;

} MyStruct;

對于內存受限的嵌入式系統，將數據對象的大小從12個字節減少到8個字節可以節省大量成本，特別是當程序需要許多這些數據對象時。

總結

結構允許我們定義依賴于應用程序的數據對象，這些對象可以將不同類型的單個變量相互關聯，這就產生了一種有效的數據處理方法；稱為數據結構的專用結構可用于各種應用，例如兩個嵌入式系統之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數據存儲在非連續存儲器位置中；當我們需要訪問內存映射微控制器外圍設備的寄存器時，結構是有用的；我們可以通過重新排列結構中成員的順序來提高內存使用效率。