自定义类型详解（1）

文章目录

  • 目录
    • 1. 结构体
      • 1.1 结构的基础知识
      • 1.2 结构的声明
      • 1.3 特殊的声明
      • 1.4 结构的自引用
      • 1.5 结构体变量的定义和初始化
      • 1.6 结构体内存对齐
      • 1.7 修改默认对齐数
      • 1.8 结构体传参
    • 2. 位段
      • 2.1 什么是位段
      • 2.2 位段的内存分配
      • 2.3 位段的跨平台问题
      • 2.4 位段的应用
    • 3. 枚举
      • 3.1 枚举类型的定义
      • 3.2 枚举的优点
      • 3.3 枚举的使用
    • 4. 联合（共用体）
      • 4.1 联合类型的定义
      • 4.2 联合的特点
      • 4.3 联合大小的计算

目录

  • 结构体
  • 位段
  • 枚举
  • 联合体
  • 通讯录的实现

1. 结构体

1.1 结构的基础知识

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。

区分：

数组：一组相同类型元素的集合

1.2 结构的声明

结构的声明
举个例子：
结构的声明举例

1.3 特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

struct
{
	int a;
	char c;
	float f;
}x;

struct
{
	int a;
	char c;
	float f;
}* p;

//上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

int main()
{
	//p = &x;//err

	return 0;
}

注：
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。

1.4 结构的自引用

结构的自引用
以下写法是错误的：

typedef struct
{
	int data;
	Node* next;
}Node;

应该这样写：

typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

int main()
{
	Node n = { 0 };

	return 0;
}

1.5 结构体变量的定义和初始化

#include <stdio.h>

struct SN
{
	char c;
	int i;
}sn1 = { 'q', 100 }, sn2 = { .i = 200, .c = 'w'};//全局变量

struct S
{
	double d;
	struct SN sn;
	int arr[10];
};

int main()
{
	struct SN sn3, sn4;//局部变量
	printf("%c %d\n", sn2.c, sn2.i);

	struct S s = { 3.14, { 'a', 99 }, { 1, 2, 3 } };
	printf("%lf %c %d\n", s.d, s.sn.c, s.sn.i);
	int i = 0;

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", s.arr[i]);
	}

	return 0;
}

1.6 结构体内存对齐

结构体的对齐规则：

  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
  1. 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。
  2. 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。

我们可以通过代码来观察：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8

	//可以计算结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));//0
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));//4
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));//8

	return 0;
}

再举个例子：

#include <stdio.h>

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

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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32

	return 0;
}

如果结构体中有数组，我们将它看作一个一个的元素即可：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct S
{
	char c;
	int arr[4];
};

int main()
{	
	printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[0]));//4
	printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[1]));//8
	printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[2]));//12
	printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[3]));//16
	printf("%d\n", sizeof(struct S));//20

	return 0;
}

为什么存在内存对齐?

  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。

内存对齐的原因
总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

#include <stdio.h>

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8

	return 0;
}

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。

1.7 修改默认对齐数

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

#include <stdio.h>

#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()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6

	return 0;
}

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。

一道笔试题：

写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明

考察： offsetof 宏的实现
注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。

1.8 结构体传参

#include <stdio.h>

struct S
{
	int data[100];
	int num;
};

void print1(struct S tmp)
{
	printf("%d\n", tmp.num);
}

void print2(const struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
	struct S s = { { 1, 2, 3 }, 100 };
	print1(s);
	print2(&s);

	return 0;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
原因：

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。

结论：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

2. 位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

2.1 什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

  1. 位段的成员必须是 char、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。
#include <stdio.h>

//00
//01
//10
//11
//比如_a只有这四种取值，那么只需要两个比特位就可以解决，就不需要一个整型那么大的空间了

struct A
{
	int _a : 2;//二进制位
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));//8

	return 0;
}

2.2 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。

我们来看一下在VS上位段的内存分配：

#include <stdio.h>

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	printf("%d\n", sizeof(s));//3

	return 0;
}

VS上位段的内存分配
VS上位段的内存分配（1）

2.3 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。

2.4 位段的应用

IP数据包的格式：
IP数据包的格式

3. 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

这里就可以使用枚举了。

3.1 枚举类型的定义

#include <stdio.h>

enum Color
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

int main()
{
	printf("%d\n", RED);//0
	printf("%d\n", GREEN);//1
	printf("%d\n", BLUE);//2

	return 0;
}

{}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：

#include <stdio.h>

enum Color
{
	RED = 4,
	GREEN,
	BLUE
};

int main()
{
	printf("%d\n", RED);//4
	printf("%d\n", GREEN);//5
	printf("%d\n", BLUE);//6

	return 0;
}

#include <stdio.h>

enum Color
{
	RED,
	GREEN = 8,
	BLUE
};

int main()
{
	printf("%d\n", RED);//0
	printf("%d\n", GREEN);//8
	printf("%d\n", BLUE);//9

	return 0;
}

#include <stdio.h>

enum Color
{
	RED = 4,
	GREEN = 8,
	BLUE = 1
};

int main()
{
	printf("%d\n", RED);//4
	printf("%d\n", GREEN);//8
	printf("%d\n", BLUE);//1

	return 0;
}

3.2 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

3.3 枚举的使用

enum Color
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

int main()
{
	enum Color c = GREEN;

	return 0;
}

4. 联合（共用体）

4.1 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：

#include <stdio.h>

union Un
{
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));//4

	union Un un = { 0 };

	return 0;
}

4.2 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）。

#include <stdio.h>

union Un
{
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	union Un un = { 0 };

	printf("%p\n", &un);
	printf("%p\n", &un.i);
	printf("%p\n", &un.c);
	//以上三个地址是一样的

	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;

	return 0;
}

联合的特点
有这样一道题目：

判断当前计算机的大小端存储

#include <stdio.h>

union Un
{
	int i;
	char c;
};

int main()
{
	union Un u = { 0 };
	u.i = 1;

	if (1 == u.c)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

#include <stdio.h>

int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un = { .i = 1 };

	return un.c;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();

	if (1 == ret)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

4.3 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。

比如：

#include <stdio.h>

union Un1
{
	char c[5];//1 8 1         5
	int i;//4 8 4
};

union Un2
{
	short c[7];//2 8 2         14
	int i;//4 8 4
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16

	return 0;
}

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