自定义类型详解(结构体+枚举+联合)C进阶

Posted 2021-06-27 林慢慢i

前言：本章主要内容是C语言自定义类型中的结构体、枚举和联合。

文章目录

• 结构体
• • • 结构
    • • 结构的声明
      • 例如描述一个学生：
      • 特殊的声明（声明结构也可以不完全声明）
      • • 例如（省略结构体标签tag）：
    • 结构的自引用
    • • • 例如：
    • 结构体变量的定义和初始化
    • • • 1.声明类型的同时定义变量p1
        • 2.定义结构体变量p2
        • 3.初始化：定义变量的同时赋初值。
        • • 3.1
          • 3.2
        • 4.结构体嵌套初始化
        • • 4.1
          • 4.2
    • 结构体内存对齐
    • • 如何计算？首先得掌握结构体的对齐规则：
      • • 例题，计算下列结构体的大小。
      • 为什么存在内存对齐？
      • 那在设计结构体的时候，我们既要满足内存对齐，又想节省空间，如何做到？
      • • 例题：
      • 修改默认对齐数
      • • 1.设置默认对齐数
        • 2.取消设置默认对齐数，还原为默认
        • 例子
      • 结构体传参
      • • 例题（结构体传参和结构体地址传参）
    • 位段
    • • 什么是位段？
      • • 比如：
      • 位段的内存分配原则
      • • 例子：
        • 思考下上例中空间是如何开辟的？
      • 位段的跨平台问题
      • 位段的应用
• 枚举
• • • 枚举类型的定义
    • • 星期、性别、颜色枚举类型举例
      • 枚举常量都是有值得，默认从0开始，一次递增1，当然也可以在定义的时候赋初值。例如：
      • 枚举的优点（明明已经有#define定义常量，为什么非要使用枚举？）
      • 枚举的使用
      • • 例子1：这样给clr赋值5可以吗？
        • 例子2：更加直观的显示所要实现算法的功能，而非简单的1、2、3、4.
• 联合（共用体）
• • • • 联合类型的声明、定义和联合类型变量大小计算：
      • 联合的特点
      • 判断大小端存储
      • • 例题：若位顺序类似小端，低地址在低处，所以39是低地址，在低位，38在高位，结果就是3839；若类似大端存储，则结果是3938
      • 联合大小的计算
      • • 例题：

结构体

结构

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

结构的声明

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

例如描述一个学生：

struct stu
{
	char name[30];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
};

特殊的声明（声明结构也可以不完全声明）

例如（省略结构体标签tag）：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[30],*p;

注意：编译器会把上面两个声明当成完全不同的两个类型，所以使用 p=&x 非法。

结构的自引用

例如：

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

结构体变量的定义和初始化

1.声明类型的同时定义变量p1

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1;

2.定义结构体变量p2

struct Point p2;

3.初始化：定义变量的同时赋初值。

3.1

struct Point p3 = { x , y };

3.2

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
};
struct Stu s = { "zhangsan",20 };

4.结构体嵌套初始化

4.1

struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* nest;
}n1 = { 10,{4,5},NULL };

4.2

struct Node n2 = { 20,{5,6},NULL };

结构体内存对齐

掌握了结构体的基本使用后，接下来介绍下如何计算结构体的大小，这就涉及到了一个热门考点：结构体内存对齐。

如何计算？首先得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中的默认值是8

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。

例题，计算下列结构体的大小。

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

struct S2
{
	char c1;
	int i;
	double d;//8
};


struct S3
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

struct S4
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S5
{
	char c1;
	struct S4 s4;
	double d;
};
#include <stdio.h>
int main()
{
	struct S s = {0};
	struct S2 s2 = { 0 };
	struct S3 s3 = { 0 };
	struct S4 s4 = { 0 };
	struct S5 s5 = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s5));//32
	printf("%d\\n", sizeof(s));//12
	printf("%d\\n", sizeof(s2));//16
	printf("%d\\n", sizeof(s3));//8
	printf("%d\\n", sizeof(s4));//16
	return 0;
}

注释：

以S为例，画下S的图示。其余类似，大家可以自己动手画图分析一波！

S的c1占用一个字节，浪费三个字节，int从下标4(第五个）开始，占用四个字节，c2占用一个字节，浪费3个字节，累计1+3+4+1+3=12；

S2的c1占用一个字节，浪费三个字节，int从下标4(第五个）开始，占用四个字节，d占用8个字节，累计1+3+4+8=16；

S3的c1占用一个字节，c2占用一个字节，然后浪费两个字节，int从下标4(第五个）开始，占用四个字节，累计1+1+2+4=8；

S4的d占用8个字节，c占用一个字节，然后浪费三个字节，int从下标12(第13个）开始，占用四个字节，累计8+1+3+4=16；

S5的c1占用1个字节，然后浪费7个字节，struct s4从下标8（第九个）开始（此时默认对齐数是8），占用16个字节，double d从下标24(第25个）开始，占用8个字节，累计1+7+16+8=32；

为什么存在内存对齐？

总结：结构体的内存对齐是拿空间换取时间

那在设计结构体的时候，我们既要满足内存对齐，又想节省空间，如何做到？

答：让占用空间小的成员尽量集中在一起

例题：

struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct s2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

注释：上例中s1和s2类型的成员一模一样，但是s1占了12字节，s2占8字节，s2更具备优势。

修改默认对齐数

1.设置默认对齐数

#pragma pack(n)//默认对齐数为n

2.取消设置默认对齐数，还原为默认

#pragma pack()//取消默认对齐数

例子

#pragma pack(2)//默认对齐数为2
struct S
{
	char c1;//0
	int i;//
	char c2;//
};
#pragma pack()//取消默认对齐数

#pragma pack(1)//默认对齐数为1
struct S
{
	char c1;//1 1 1
	int i;//4 1 1
	char c2;//1 1 1
};
#pragma pack()//取消默认对齐数

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

注释：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。

结构体传参

例题（结构体传参和结构体地址传参）

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};

struct S s = { {1,2,3,4},1000 };

void print1(struct S s)//结构体传参
{
	printf("%d\\n", s.num);
}
void print2(struct S* ps)//结构体地址传参
{
	printf("%d\\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s);
	print2(&s);
	return 0;
}

注释：对比上面的print1和print2函数，print1的缺点很明显：在函数传参过程中，参数需要压栈，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，参数压栈的系统开销比较大，会导致性能下降。

总的来说，结构体传参的时候，传结构体的地址（指针大小固定4/8）。

位段

什么是位段？

位段的声明和结构是类似的，注意两点不同：

1.位段的成员必须是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。

比如：

struct A
{
	//4个字节 - 32bit
	int _a : 2;//_a 成员占2个bit位
	int _b : 5;//_b 成员占5个bit位
	int _c : 10;//_c 成员占10个bit位
	//剩余15个bit
	//4个字节 - 32bit
	int _d : 30;//_b 成员占30个bit位
};
int main()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct A));//8

	return 0;
}

注释：A就是一个位段类型，大小是8字节。

位段的内存分配原则

1.位段的成员可以是int、unsigned int和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。

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。

例子：

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;

	return 0;
}

思考下上例中空间是如何开辟的？

答：

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位机器会出现问题）。

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，是舍弃剩余位段还是继续利用剩余位段，这点不确定。

总结：

跟结构相比，位段可以达到同样的效果，还可以很好的节省空间，但是存在跨平台的问题。

位段的应用

在计算机网络的信息传输过程中，减小数据包的大小。

枚举

顾名思义就是把可能的取值一一列举。

比如：

月份有12个月，可以一一列举。

一周有七天，可以一一列举。

性别有男、女，可以一一列举。

颜色也可以一一列举。

这些例子里就可以使用枚举。

枚举类型的定义

星期、性别、颜色枚举类型举例

enum Day
{
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
enum Sex
{
	MALE,
	FEMALE,
	SECRET
};
enum Color
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

注释：以上定义的enmu 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。

枚举常量都是有值得，默认从0开始，一次递增1，当然也可以在定义的时候赋初值。例如：

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

枚举的优点（明明已经有#define定义常量，为什么非要使用枚举？）

1.增加代码的可读性和可维护性

2.和#define定义的标识符相比枚举有类型检查，更严谨

3.防止命名污染（封装）

4.便于调试

5.使用方便，一次可以定义多个变量

枚举的使用

例子1：这样给clr赋值5可以吗？

enum Color
{
	RED=1,
	GREEN=2,
	BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;
clr = 5;

答：不可以，枚举变量一经过定义赋值，不可再改变。

例子2：更加直观的显示所要实现算法的功能，而非简单的1、2、3、4.

void menu()
{
	printf("*****************************\\n");
	printf("****  1. add    2. sub  *****\\n");
	printf("****  3. mul    4. div  *****\\n");
	printf("****  0. exit          *****\\n");
	printf("*****************************\\n");
}

enum Option
{
	EXIT,//0
	ADD,//1
	SUB,//2
	MUL,//3
	DIV//4
};

int main()
{
	int input = 0;
	do
	{
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);
		switch (input)
		{
		case ADD:
			break;
		case SUB:
			break;
		case MUL:
			break;
		case DIV:
			break;
		case EXIT:
			break;
		default:
			break;
		}
	} while (input);


	return 0;
}

联合（共用体）

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，特征是这些成员共用同一块空间（所以叫做共用体）.

联合类型的声明、定义和联合类型变量大小计算：

union Un
{
	short s[7];
	int n;
};
Union Un un;
int main()
{
  printf("%d\\n", sizeof(union Un));
  return 0;
}

注释：结构体向int对齐，7个short一共是14字节，对齐后是16字节。n是单独的4字节，由于是union，所以n与s共用空间，只取最长的元素，故占用16字节。

联合的特点

联合的成员是共用同一块内存空间，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）

判断大小端存储

例题：若位顺序类似小端，低地址在低处，所以39是低地址，在低位，38在高位，结果就是3839；若类似大端存储，则结果是3938

int main()
{
	union
	{
		short k;
		char i[2];
	}*s, a;
	s = &a;
	s->i[0] = 0x39;
	s->i[1] = 0x38;
	printf("%x\\n", a.k);
	return 0;
}

注释：由输出结果可知位顺序类似小端，低地址在低处，所以39是低地址，在低位，38在高位，所以是3839。

联合大小的计算

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。

例题：

int main()
{
	union Un1
	{
		char c[5];
		int i;
	};
	union Un2
	{
		short c[7];
		int i;
	};
	printf("%d\\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\\n", sizeof(union Un2));
	return 0;
}

注释：Un1中，char c[5]至少占用6个字节，最大对齐数4，取最大对齐数的整数倍，结果为8；Un2中，short c[7]至少占用16个字节，最大对齐数4，取最大对齐数的整数倍，恰好结果为16.

自定义类型（结构体+枚举+联合）部分到此介绍结束了，感谢您的阅读！！！如果内容对你有帮助的话，记得给我三连（点赞、收藏、关注）——做个手有余香的人。