【c语言】轻松拿捏自定义类型

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前言

在c语言当中，除了内置的数据类型之外，还有自定义类型，它能够让我们更加方便、灵活地实现各种功能。今天我们主要来学一学三种自定义类型：结构体、联合体和枚举类型。

一、结构体

1.结构体类型的定义和使用

1.1 结构体类型声明

结构体可以含有多个结构成员，成员的类型可以不同。它的声明方式是：

struct xxxx

{

type1 x;

type2 y;

......

}；

这里的struct是结构体的关键字，xxxx是结构体标签，x和y是结构成员变量。例如，我们想要用结构体来描述一个学生的信息：

struct student
{
	char name[20];//姓名
	char id[20];//学号
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
};

1.2 结构体变量的创建和初始化

在声明了结构体之后，我们就可以尝试创建一个结构体变量并对其初始化。例如：

#include <stdio.h>

struct student
{
	char name[20];
	char id[20];
	int age;
	char sex[5];
};

int main()
{
	struct student s1 = { "zhangsan","000001",18,"男" };
	struct student s2 = { .age = 15,.name = "wangwu",.sex = "女",.id = "000002" };
	return 0;
}

这里需要注意：struct student是一个整体，表示的是该结构体的类型名；s1，s2是变量名。

结构体的初始化与数组类似，都是使用大括号，中间用逗号隔开。初始化的内容要按照顺序，如果不按照顺序来初始化，则在成员变量名前加一个点，再采用赋值的方法初始化。

结构体变量创建也可以在声明大括号之后：

struct student
{
	char name[20];
	char id[20];
	int age;
	char sex[5];
}s1;

要注意：这里的s1是全局变量。

1.3 结构体变量成员的访问

接下来，我们在之前代码的基础上，打印学生的信息。

#include <stdio.h>

struct student
{
	char name[20];
	char id[20];
	int age;
	char sex[5];
};

int main()
{
	struct student s1 = { "zhangsan","000001",18,"男" };
	printf("%s\n", s1.name);//结构成员的访问
	printf("%s\n", s1.id);
	printf("%d\n", s1.age);
	printf("%s\n", s1.sex);
	return 0;
}

运行结果：

可以看到，结构成员的值被一一打印出来。这里使用了“ . ”操作符来访问结构体成员变量。如果是结构体指针类型，在访问成员变量时，则要解引用之后再使用“ . ”操作符或者使用“->”操作符。

1.4 结构体的特殊声明（匿名结构体类型）

在声明结构体的时候，可以不完全声明。例如：

struct
{
	int a;
	char c;
}x;

这样的结构体声明省略了结构体标签，并且一般会同时创建一个结构体变量，否则就无法使用。注意：匿名结构体类型只能使用一次，无法在主函数中创建该结构体的新变量。

1.5 结构体的自引用

首先看一个结构体的声明：

struct stu
{
	int a;
	struct stu b;
};

上述代码是否正确？

我们可以看到，这个结构体的成员变量中，有一个变量的类型是结构体本身。这就导致这个结构体是无限嵌套的，它所占的内存大小不可知。所以这种写法是错误的。但是，我们可以使这个结构体成员变量为一个结构体本身的指针类型：

struct stu
{
	int a;
	struct stu* p;
};

由于这是一个指针类型，它的大小是确定的（4/8字节），所以这种写法是正确的。我们将这种结构体声明称为结构体的自引用。

结构体的自引用常常用于一些数据结构的定义。

2.结构体内存大小的计算（结构体内存对齐）

我们首先看一段代码：

#include <stdio.h>

struct stu
{
	char c;
	int a;
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct stu));
	return 0;
}

这段代码用于计算这个结构体的内存大小。按理来说，char占一个字节，int占四个字节，这个结构体总共应该占5个字节。那么真实结果是这样吗？我们看看运行结果：

为什么是8个字节而不是5个呢？这就需要我们学习一个概念：结构体内存对齐。

首先介绍一下结构体内存对齐的规则：

1.结构体的第一个成员对齐到和结构体的起始地址的偏移量为0的地址处，也就是说第一个成员的偏移量记为0。

2.其他的成员要对齐到该成员的对齐数整数倍的地址处。

（对齐数：编译器默认对齐数与该成员内存大小的较小值；在VS环境中，默认对齐数是8；linux系统中，没有默认对齐数，对齐数就是该成员内存大小）

3.结构体的总大小为结构成员中最大的对齐数的整数倍。

4.嵌套结构体的情况：则内层的结构体要对齐到自己成员中最大对齐数的整数倍处；结构体的总大小为结构成员中最大对齐数的整数倍（结构成员包含内层结构体的成员）。

根据以上规则，我们来计算一下刚才结构体的内存大小：

我们可以看到，内存对齐还造成了三个字节空间的浪费。那为什么会有内存对齐呢?

原因如下：

1.平台原因（移植原因）：不是所有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到某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。

2.性能原因：为了访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问；而对齐的内存只需要做一次内存访问。假设一个处理器总是从内存中取八个字节，则地址必须是八的倍数。如果我们能够保证将所有double类型的数据地址都对齐成八的倍数，那么就可以节省大量的内存访问时间。说白了，结构体内存对齐就是以空间换时间的做法。

所以，当我们想要在满足时间需求的情况下，尽量节省空间，我们可以在结构体声明时，将内存小的结构成员聚集在一起。例如：

#include <stdio.h>

struct s1
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

struct s2
{
	char a;
	char c;
	int b;
};

int main()
{
	printf("s1的内存大小是%zd\n", sizeof(struct s1));
	printf("s2的内存大小是%zd\n", sizeof(struct s2));
	return 0;
}

运行结果：

当然，如果你想要使结构体所占的内存达到最小，也可以通过修改默认对齐数的方式实现。修改方法是：

#pragma pack(n) n是你想要的默认对齐数值。

我们试着使用一下它：

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)//调整默认对齐数为1

struct s
{
	char c;
	int a;
};

#pragma pack()//还原默认对齐数

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct s));
}

运行结果：

3.结构体传参

当我们写的程序需要对结构体进行操作的时候，常常会定义函数，然后将结构体作为参数。举一个例子：

#include <stdio.h>

struct s
{
	int arr[1000];
	int m;
};

void fun1(struct s s1)
{
	printf("%d\n", s1.arr[3]);
}

void fun2(struct s* s1)
{
	printf("%d\n", s1->arr[3]);
}

int main()
{
	struct s s1 = { {0},1 };
	fun1(s1);
	fun2(&s1);
	return 0;
}

fun1和fun2哪个更好呢？

实际上，fun2更好。原因如下：

1.函数形参是实参的一份临时拷贝，在函数中修改结构体的内容，主函数中的结构体内容不会改变。

2.如果结构体内存较大，函数就要开辟一块和结构体同样大小的内存空间，占用内存较大。而传递结构体指针时，函数只开辟了4/8个字节的内存空间。

二、联合体

在学习了结构体之后，我们来了解一下联合体。

1.联合体类型的声明

和结构体一样，联合体也含有多个成员，成员的类型可以不同。它的声明方法和结构体类似：

union xxxx

{

type1 x;

type2 y;

......

}；

只不过它的关键字是union，结构体是struct。

2.联合体的特点

联合体有如下特点：

1.联合体所有成员共用同一块内存空间，所以联合体也叫做共用体。

2.给其中一个成员变量赋值，其他成员变量的值也跟着变化。

我们来看一段代码：

#include <stdio.h>

union un
{
	int a;
	char c;
};

int main()
{
	union un x = { 0 };
	printf("%p\n", &(x.a));
	printf("%p\n", &(x.c));
	printf("%p\n", &x);
	return 0;
}

运行结果：

可以看到，三者的地址相同，说明两个成员变量确实用的是同一块内存空间。接着我们尝试修改一下成员变量的值：

#include <stdio.h>

union un
{
	int a;
	char c;
};

int main()
{
	union un x = { 0 };
	x.a = 0x11223344;
	x.c = 0x55;
	printf("%x\n", x.a);
	return 0;
}

可以看到，当修改成员c的时候，成员a的第一个字节内容也被修改了。根据它，我们就可以画图表示一下联合体的内存占用情况：

3.联合体大小的计算

由于联合体的成员变量是共用同一块内存空间的，所以它的内存大小计算并没有结构体那般复杂：

1.联合体的大小至少是最大成员的大小。

2.当最大成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，它就要对齐到最大对齐数的整数倍处。

4.联合体的使用

联合体可以用于判断当前机器的大小端。这里举个例子：

#include <stdio.h>

union un 
{
	int a;
	char c;
};

int main()
{
	union un x = { 0 };
	x.a = 1;
	printf("%d", x.c);
	return 0;
}

运行结果：

这里我们将整形成员a赋值为1。如果此时字符型的c值为1，则说明整形的最低位的值放在了最低地址上，就是小端；若是0则为大端。

三、枚举类型

所谓枚举，就是一一列举的意思，对于某个事件，将可能的取值一一列举出来，就变成了枚举类型。比如：一个星期有七天，分别是周一、周二...可以一一列举出来。再比如：一年有十二个月，可以一一列举出来。

1.枚举类型的声明方法

拿一周七天来举例，它的声明方法如下：

enum week//枚举类型
{
	Mon,
	Tue,
	Wed,
	Thor,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};

这里要注意：这些成员都是有值的，如果不特定赋值，则第一个成员的值为0，之后的成员依次+1递增。

2.枚举类型的优点

既然枚举值就像宏常量一样，那么为什么还要使用枚举呢？

1.它增加了代码的可读性和可维护性

2.与宏常量相比，枚举类型有类型检查，更加安全。

3.由于调试时#define定义的符号会被替换，而枚举不会，就便于调试。

4.使用方便，一次可以定义多个相关的变量

5.枚举类型是有作用域的，而宏常量没有，可以再某个函数体内单独使用