C语言—自定义类型

Posted 2023-03-18

目录

​​一、结构体​​

​​1、结构体的声明​​

​​2、结构体的自引用​​

​​3、结构体变量的定义和初始化​​

​​4、结构体变量的访问​​

​​5、结构体内存对齐​​

​​6、结构体传参​​

​​7、位段​​

​​二、枚举​​

​​1、枚举类型的定义：​​

​​2、与结构体的区别：​​

​​3、枚举的优点​​

​​三、联合（共用体）​​

​​1、联合类型的定义​​

​​2、联合体的特点​​

​​3、联合大小的计算​​

---

一、结构体

1、结构体的声明

结构基础知识

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

结构体的声明

struct tag

member-list； //成员列表

variable-list； //变量列表

实例：

b1,b2,b3,b4,b5,b6,都是结构体变量

特殊的声明

1、匿名结构体类型

声明结构的时候，不完全声明

上面两个结构体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，下面代码合法吗？
ps = &s;

警告：编译器会把上面的两个声明当做完全不同的两个类型，所以是非法的。

2、结构体的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员，是否可以呢？

如果可行，那么sizeof(struct N)是多少？

答案：这样是不可行的，字节会无限大

正确的自引用方式：

不是包含同类型的结构体变量，而是包含同类型的结构体指针

提出下一个问题：

答案：不可以！Node 和 Node* 之间存在定义顺序的问题

3、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？ 很简单！

有两种方式：

1、在声明结构体类型的时候定义变量

2、在创建好结构体后，再定义变量

怎么初始化呢？

定义变量的时候同时赋初值（和数组一样，使用包含内容）

同时，结构体发生嵌套时，需要进行嵌套初始化

4、结构体变量的访问

两种方式：

1、（.）操作符，通过结构体变量访问成员

2、（->）操作符，通过结构体指针访问成员

实例：

5、结构体内存对齐

现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小

这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

在此之前，我们先做一个练习：

//练习1
struct S1
  char c1;
  int i;
  char c2;
;

int main() 
  printf("%d",sizeof(struct S1));
  

  return 0;

按我们的理解，应该是字节数为6才对，但这里是12，这说明结构体的字节计算不简单！

考点 如何计算？首先需要掌握结构体的对齐规则

1、第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址出。

2、其他成员变量需要对其到某个数字（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中默认值为8

linux中没有默认对齐数的概念

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（含嵌套结构体的的对齐数）的整数倍

为什么存在内存对齐？

大部分的参考资料都是如此说的：

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的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处去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）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理齐需要做两次内存的访问；而对齐的内存访问仅需要一次

总得来说：

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？

答：让占用空间小的成员尽量集中在一起

修改默认对齐数

之前我们又提及 #pragma 这个预处理指令，这里我们用来，改变我们的默认对齐数

格式：

#pragma pack(2) //设置默认对齐数为2

struct S

.......

;

#pragma pack() //取消设置默认对齐数，还原为默认

原本的默认最大对齐数为8，上述结构体的字节数为12，此时更改为2后，结构体的字节数为8。

结论：结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数

6、结构体传参

同样，结构体传参也有两种方式：

1、传结构体

2、传地址

对于结构体，通常情况下，我们选择传地址的方式！

原因：

1、函数传参时，参数是需要压栈的，会有时间和空间上的系统开销。

2、如果传递一个结构体对象时，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

7、位段

结构体讲完，就得讲讲结构体实现位段的能力（位段依附于结构体）

什么是位段？

位段的声明和结构体是类似的，有两个不同：

1、位段的成员必须是 int，unsigned int ，signed int 或者char类型

2、位段的成员名后面有一个冒号和一个数字

比如：

A就是一个位段类型

那位段A的大小是多少？

printf（"%d\\n",sizeof(struct A)）;

显示8个字节？冒号后面的数字代表什么含义呢？

此外，数字的最大值为32bit（int）或8bit（char），不能超过4个字节或1个字节

数字的含义清楚了，但好像也不对，看来还需要更深入的探究！！！

位段的内存分配

1、位段的成员可以是 int，unsigned int，signed int 或者char(属于整型家族)类型

2、位段的空间上时按照需要以4个字节（int）或一个字节（char）的方式来开辟的

3、位段设计很多不确定的因素。位段时不跨平台的，注意可移植程序需要避免使用位段

位段存在的意义

根据自己实际的需求，分配内存块的大小，一定程度上帮助节省空间

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，如果写成27，在16位机器中会出问题）

3、位段中的成员在内存上时从左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义

注：在vs下，是从左向右分配

4、当一个结构体包含两个位段，第二个位段的成员比较大，无法容纳第一个位段剩余位时，是舍弃还是利用是不确定的。

总结：

跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，但是可以很好的节省空间，但有跨平台的问题存在。

位段的应用

二、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：

1、一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举

2、性别有：男，女，保密，也可以一一列举

3、月份有十二个月，也可以一一列举

这里就可以使用枚举了

1、枚举类型的定义：

enum Day   //星期
    mon,
    tues,
    wed,
    thur,
    fri,
    sat,
    sum
:

以上定义的enum Day就是一个枚举类型，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，一次递增1，当然，在定义的时候也可以赋初值，如：

2、与结构体的区别：

3、枚举的优点

为什么使用枚举？

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、防止命名污染（封装）

4、便于调试

5、使用方便，一次可以定义多个常量

枚举的使用

enum Color     //颜色
    RED = 1,
    GRREEN = 2,
    BLUE = 4;


enum Color clr = GRREEN;

只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型差异，不可写为 clr = 5;

三、联合（共用体）

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（所以联合体也称为共用体）

联合体的声明

union Un

    char c;

    int i;

联合体变量的定义：

union Un u;

计算联合变量的大小

printf(“%d",sizeof（u）)；

2、联合体的特点

联合的成员公用一块内存空间，这样一个联合体变量的大小，至少是最大成员的大小（至少需要有能力保存最大的那个成员）

面试题

判断当前计算机的大小端

3、联合大小的计算

1、联合的大小至少是，但不一定是最大成员的大小，

2、当前最大成员的大小不是最大对齐数的整数倍时，就要对齐到最大对齐数的整数倍

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C语言自定义数据类型：结构体，枚举，联合

C语言自定义数据类型

• 1、结构体
• • 1.1结构的声明
  • 1.2结构的自引用
  • 1.3结构体变量的定义和初始化
  • • 1.3.1结构体变量的定义
    • 1.3.2结构体变量的初始化
  • 1.4结构内存对齐
  • 1.5结构传参
• 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
• 3、枚举
• • 3.1枚举类型的定义
  • 3.2枚举类型的定义
  • 3.3枚举的优点
• 4、联合体
• • 4.1联合类型的定义
  • 4.2联合的特点
  • 4.3联合体的大小计算

1、结构体

1.1结构的声明

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。

在C语言中对于复杂对象，靠单一的数据类型已经无法描述，这时我们就要用到结构体来进行描述。
结构体的声明

struct tag

 member-list;
variable-list;
struct为结构体关键字
member-list成员列表
variable-list变量列表(可以省略，但是;一定不可省略)
;一定不能丢

struct book

    char name[20];
    char auther[20];
    int price;
;

struct book

    char name[20];
    char auther[20];
    int price;
b1,b2;
利用上面结构体类型创建了两个结构体类型b1、b2

特殊的声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。

//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;

//匿名结构体变量的创建必须在定义的时候创建
//因为没有名字，无法直接使用struct创建结构体变量
//C语言支持使用，但是不建议使用
int main()

    p=&x;
    //此时会报错
    //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。
    return 0;

1.2结构的自引用

结构体的自引用：能够找到同类型的数据的下一个节点
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是不可以的：

//代码1
struct Node

 int data;
 struct Node next;
;
//无限查找下去，内存区间可能会溢出

正确的自引用方式：

//代码1
struct Node

 int data;
 struct Node next;
;
//无限查找下去，内存区间可能会溢出

注意有些写法是无法表达的：可以将这种错误的写法理解成先有蛋还是先有鸡的问题，对于问题本身来说就是错误的。

//代码1
typedef struct

 int data;
 Node* next;//此处之前没有出现过Node
Node;
//非法的写法，所以对于结构体的匿名写法不要轻易使用
//解决方案
typedef struct Node

 int data;
 struct Node* next;
Node;

1.3结构体变量的定义和初始化

1.3.1结构体变量的定义

struct Point

    int x;
    int y;
p3,p4;//定义局部变量p3，p4

struct Point p2;
//定义全局变量p2

int main()

    struct Piont p1;
    //定义局部变量p1

1.3.2结构体变量的初始化

简单的初始化

struct Point

    int x;
    int y;
p3=5,6,p4=7,8;
//在声明的时候直接初始化

struct Point p2=1,2;
//定义全局结构体变量的时候初始化
int main()

    struct Point p1=1,2;
    //定义局部结构体变量的时候初始化

嵌套结构体类型的初始化

struct Point 

    int x;
    int y;
;
struct S

    double d;
    struct Point p;
    char name[20];
    int date[20];


int main()

    struct S s=3.14,1,5,"sunjiaao",1,2,3,4,5,6;

1.4结构内存对齐

内存对齐不仅仅在结构体中在别处也会有，但是在结构体中的内存对齐非常明显，所以我们称之为结构体内存对齐。
计算结构体的大小，此时需要注意结构体内存对齐

结构体内存对齐的规则：
1、结构体的第一个成员永远放在结构体起始位置偏移量为0的位置。即结构体从哪开始，第一个变量就从哪开始
2、结构体成员从第二个成员开始，总是放在偏移量为一个对齐数的整数倍数。
3、对齐数=编译器默认的对齐数和变量自身大小的较小值，Linux没有默认对齐数，VS下默认对齐数是8.所以在VS编译器下，当和int类型比较时，4<8，所以int类型的对齐数为4
4、结构体的总大小必须是各个成员的对齐数中最大那个对齐数的整数倍
5、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。

下面让我们来看一些例子：

struct S2

    char c1;
    char c2;
    int a;

int main()

    struct S1 s='x',100,'y';
    printf("%d\\n",sizeof(struct S2));

图片解析结构体的内存空间：

为什么存在结构体内存对齐

1. 1.平台原因(移值原因)
   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。

内存图片解析：

总结：结构体内存对齐是拿空间换取时间的做法。

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。如下面的写法：

//例如：
struct S1

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

 char c1;
 char c2;
 int i;
;

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。
修改结构体的默认对齐数
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。默认对齐数一般设置的是2的几次放，不要随意设置默认对齐数。

#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()

    //输出的结果是什么？
    printf("%d\\n", sizeof(struct S1));//6
    printf("%d\\n", sizeof(struct S2));
    return 0;

1.5结构传参

先来看一段代码：

struct S

    int data[1000];
    int num;
;

//结构体传参
void print1(struct S tmp)

    int i=0;
    for(i=0;i<10;i++)
    
        printf("%d"tmp.data[i]);
    
    printf("%d\\n", tmp.num);

//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)

    int i=0;
    for(i=0;i<10;i++)
    
        printf("%d ",ps->data[i]);
    
    printf("%d\\n",ps->num);

int main()

    struct S s = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10, 1000;
    print1(s);  //传结构体
    print2(&s); //传地址
    return 0;

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，因为实参是形参的临时拷贝，所以参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降.如果担心传地址数据会被修改，可以在参数的前面加上const修饰。

2、位段

利用结构体实现位段的能力,位段是可以节省空间的。尤其是在对速度有极限要求的时候。

2.1什么是位段

1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。(char也可以-》整型家族的都可)

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：

struct A

    int _a:2;
    int _b:5;
    int _c:10;
    int _d:30;
;


位指的是二进制位->_a只需要2个比特位，_b只需要5个比特位，
_c只需要10个比特位，_d只需要30个比特位空间
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。

struct A

    int _a:2;
    int _b:5;
    int _c:10;
    int _d:30;
;

struct S s=0;
s.a=10;
s.b=12;
s.c=3;
s.d=4;

先开辟了4个字节，在这个四节里放入了2+5+10个比特位，但是到_d的时候无法放入，就又开辟了4个字节，内存空间的使用及其剩余空间如何处理C语言没有给出标准规定。在VS编译器中是从右向左，即从低位到高位使用的，无法放入时剩余内存会被跳过，开辟新的空间放入。且当数据的二进制位高出位段的二进制位时，存入的二进制位会发生截断。

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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

3、枚举

枚举的顾名思义就是一一列举，把可能的取值一一列举。

3.1枚举类型的定义

枚举类型的变量大小是固定的，大小为4个字节

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
;
int main()

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

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，一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初值。 例如：

enum Color//颜色

    RED=5,
    GREEN,
    BLUE
;
int main()

    printf("%d\\n",RED);
    printf("%d\\n",GREEN);
    printf("%d\\n",BLUE);
    //5 6 7

3.2枚举类型的定义

enum Color//颜色
 
    RED=1, 
    GREEN=2, 
    BLUE=4 
; 
    enum Color clr = GREEN;
//只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。
    clr = 5;
    //这中写法在严格的编译器下是非法的

使用枚举完成菜单

3.3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、防止了命名污染（封装）
4、便于调试
5、使用方便，一次可以定义多个常量

4、联合体

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：

//联合体声明
union Un

    char c;
    int i;
    
;
int mian()

    //联合体变量的定义
    union Un u=0;
    printf("%d\\n",sizeof(u));//4
    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）。

• 图片解析：
  
  因为联合体共用一块空间，所以改变c的内容，i的内容也会随之改变

• 判断机器的大小端

//方法1
int main()

    int a=1;
    char *pc=(char*)&a;
    if(*pc==1)
    
        printf("小端");
    
    else
    
        printf("大端");
    
    return 0;

//方法2
int main()

    union U
    
        char c;
        int i;
    u;
    u.i=1;
    if(u.c==1)
     
        printf("小端");
    
    else
    
        printf("大端");
    
    return 0;

4.3联合体的大小计算

1、联合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，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

union Un1 
 
    char c[5];//5个char类型的数据，对齐数是1
    int i; //对齐数是4
    //最终对齐数是4，5个字节不是4的倍数所以要上升到8
; 
union Un2 
 
    short c[7]; //7个short类型的数据，对齐数是2
    int i; //对齐数是4
    //最终对齐数是4，数组用了14个字节的空间
    //但14不是4的整数倍，所以要上升到16
; 
int main()

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