C进阶---自定义类型:结构体、枚举、联合

目录

一、前言

二、结构体

2.1结构体的声明 

 2.2特殊的声明

2.3结构体的自引用 

2.4结构体变量的定义和初始化 

2.5结构体内存对齐 

2.6修改默认对齐数 

2.7结构体传参 

三、位段 

3.1什么是位段

3.2位段的内存分配 

3.3位段的跨平台问题 

3.4位段的应用 

四、枚举 

4.1枚举类型的定义 

4.2枚举的优点 

五、联合体（共用体） 

5.1联合类型的定义 

5.2联合的特点 

 5.3联合大小的计算

一、前言

前面我们学过了内置类型,今天开始学习自定义类型，学习后就可以开始着手写一个简单的通讯录项目了。

内置类型：

char,short,int,float,double,long,long long

自定义类型：自定义类型顾名思义就是自己创造，当然也不是瞎创哦，肯定是结构体、枚举、联合这三种类型。 

二、结构体

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。 

2.1结构体的声明 

struct tag
{
        member-list;
}variable-list;
 

tag就是标签名，member-list就是成员列表，variable-list结构体声明的变量列表

当我们需要使用多种不同类型的数据时就需要使用到结构体。 

举个例子：

struct Stu
{
	//成员变量
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}s3,s4;//全局变量 //分号不能丢

int main()
{
	//局部变量
	struct Stu s1;
	struct Stu s2;

	return 0;
}

 2.2特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全声明。也就是匿名 

//匿名结构体类型
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

警告：
编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。
所以是非法的。 

2.3结构体的自引用 

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？
先看两个错误用法

//代码1
struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};

//代码2
typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;

我们可以看到编译器报错 

 正确的自引用方式：

//代码3(对比代码1）
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};

//代码4(对比代码2）
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

2.4结构体变量的定义和初始化 

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单。

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2

//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x,y };

struct Stu //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age; //年龄
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };//初始化

struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = { 10, {4,5}, NULL }; //结构体嵌套初始化

struct Node n2 = { 20, {5, 6}, NULL };//结构体嵌套初始化

2.5结构体内存对齐 

我们已经掌握了结构体的基本使用了。
现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小

既然要计算结构体的大小，我们就先来了解下他的对齐规则和为什么要对齐。

对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。

  • VS中默认的值为8
  • Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3. 结构体总大小为最大对齐数（每个成员变量都有一个对齐数）的整数倍。
4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

为什么要对齐：

1. 平台原因(移植原因)：
        不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

2. 性能原因：
        数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。
        原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

我们先学习offsetof，可以用来查看偏移量。 

 举个例子：

#include <stddef.h>
struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct s1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct s1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct s1, c2));

	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
	return 0;
}

我们可以看到结果是12 而不是6这是为什么？ 

 通过规则我们看下图就能清楚明了的知道大小为什么是12

我们再练习几道题：

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{


	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

	return 0;
}

 我们画图来分析

struct S2

struct S3 

struct S4 

 

我们可以看到在设计结构体的时候，中间浪费了许多空间用于补齐，那么我们如何可以在设计的时候既考虑空间，又考虑对齐 

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

举个例子： 

//例如：
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

虽然S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。

2.6修改默认对齐数 

这里我们使用#pragma，可以改变我们的默认对齐数。

#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

我们可以明显看到修改后大小发生变化。 

结论：
结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

2.7结构体传参 

传址和传值有什么区别呢我们看代码： 

函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降

传地址大小为4/8字节，传值是变化的

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };

//结构体传参
void print1(struct S s)
{
	printf("%d\n", s.num);
}

//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
	print1(s); //传结构体
	print2(&s); //传地址
	return 0;
}

 结果一样，但是传址开销小，所以当结构体传参的时候，要传结构体的地址

三、位段 

这里位段的位就是二进制位 

3.1什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同： 

1.位段的成员一般是 int、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。 

举个例子 

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

画图分析

 

3.2位段的内存分配 

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （属于整形家族）类型
2. 位段的空间上是按照需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟的。
3. 位段涉及很多不确定因素，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。 

举个例子： 


//一个例子
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

 

3.3位段的跨平台问题 

1. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
2. 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16，32位机器最大32，写成27，在16位机器会出问题。
3. 位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
4. 当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

总结：
跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

3.4位段的应用 

位段的应用场景包括但不限于以下几个方面：

  1. 节省空间：位段可以很好地节省内存空间，特别是在需要大量存储某些状态信息的时候，比如网络协议中的标志位。

  2. 优化性能：位段可以提高程序的执行效率，因为它们可以在一个字节中存储多个状态信息，从而减少了内存访问的次数。

  3. 跨平台问题：位段在不同的平台上可能会有不同的实现方式，因此在使用位段时需要注意跨平台的问题。

  4. 代码可读性：位段可以使代码更加简洁易懂，因为它们可以将多个状态信息组合在一个结构体中，从而减少了代码的复杂度。

位段在网络中应用的比较多，列如：IP数据包格式 

 

四、枚举 

枚举顾名思义就是一一列举。
把可能的取值一一列举。
比如我们现实生活中：

一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举

性别有：男、女、保密，也可以一一列举
月份有12个月，也可以一一列举

4.1枚举类型的定义 

enum Day//星期
{
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};

enum Sex//性别
{
	MALE,
	FEMALE,
	SECRET
};

enum Color//颜色
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

 以上定义的 enum Day ， enum Sex ， enum Color 都是枚举类型。
{}中的内容是枚举类型的可能取值，也叫 枚举常量。

这些可能取值都是有值的，默认从0开始，依次递增1，当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
例如：

enum Color
{
	RED,//0默认
	GREEN = 2,//1
	BLUE = 4//2
};


int main()
{

	printf("%d\n", RED);
	printf("%d\n", GREEN);
	printf("%d\n", BLUE);

	return 0;
}

赋值后数值改变 

 

4.2枚举的优点 

我们可以使用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举？
枚举的优点：

1. 增加代码的可读性和可维护性
2. 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
3. 便于调试
4. 使用方便，一次可以定义多个常量

五、联合体（共用体） 

5.1联合类型的定义 

联合也是一种特殊的自定义类型
这种类型定义的变量也包含一系列的成员，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体）。
比如： 

//联合类型的声明
union Un
{
	char c;
	int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;
//计算连个变量的大小
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(un));
	return 0;
}

运行结果： 

 

5.2联合的特点 

联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）。 

举个例子：

union Un
{
	int i;
	char c;
};
union Un un;

int main()
{
	
	printf("%d\n", &(un.i));
	printf("%d\n", &(un.c));
	//下面输出的结果是什么？
	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	printf("%x\n", un.i);
	return 0;
}

运行结果 

 5.3联合大小的计算

联合的大小至少是最大成员的大小。
当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。 

举个例子： 

union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};

union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};

int main()
{

	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));
	return 0;
}

 运行结果：

 

 以上就是对自定义类型的讲解，如果觉得本文还可以，希望可以动动发财的小手点赞，分享哦！！！！

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