C语言学习笔记（15）自定义类型：结构体，枚举，联合

Posted 2021-08-16 小倪同学 -_-

文章目录

• 结构体
• • 结构体是什么
  • 结构体的声明
  • 结构体自引用
  • 结构体变量的定义和初始化
  • 结构体内存对齐
  • 修改默认对齐数
  • 结构体传参
  • 位段
• 枚举
• • 枚举类型的定义
  • 枚举的优点
  • 枚举的应用
• 联合体
• • 联合体的定义
  • 联合体的特点
  • 联合体大小的计算

结构体

结构体是什么

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。

结构体的声明

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

例如描述一个学生

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
};//分号不能丢

特殊的声明

在声明结构时，可以不完全的声明。

比如：
匿名结构体类型

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

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

上面两结构体在声明的时候省略掉了结构体标签

那么可以认为p=&x吗？

很遗憾这样是不行的，编译器会把上面两个声明当成完全不同的两个类型，是非法的。

结构体自引用

在结构体中包含一个类型为结构本身的成员是否可以呢？

struct N
{
	int d;
	struct N n;
};

我们稍加思考就会发现该结构体死循环，那么到底如何实现呢

正确的方式是利用指针如下图

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

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量呢

struct S
{
	char c;
	int i;
}s1, s2;//定义s1,s2
struct B
{
	double d;
	struct S s;
	char c;
};
int main()
{
	struct B s3 = { 3.14, {'w', 100},'q' };//定义s3并初始化
	printf("%lf %c %d %c\\n", s3.d, s3.s.c, s3.s.i, s3.c);

	return 0;
}

结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用，下面来计算结构体大小

观察如下代码，你认为输出结果是什么？

#include<stdio.h>
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	return 0;
}

输出结果为12

这是为什么呢？

要想计算结构体大小首先要掌握结构体对齐规则：

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）。
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。

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

结构体s对齐方式如下：

掌握了结构体对齐规则，下面做一些练习巩固一下吧。

练习一

struct S
{
	char c1;
	int i;
	double d;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	return 0;
}

解析：
c1的成员大小为1默认对齐数为8取最小值1
i的成员大小为4默认对齐数为8取最小值4
d的成员大小为8默认对齐数为8取最小值8
结构体总大小为最大对齐数8的整数倍16

如下图


练习二

struct S
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	return 0;
}

解析：


练习三

struct S
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	return 0;
}

解析：

struct S
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S2
{
	char c1;
	struct S s;
	double d;
};
int main()
{
	struct S2 s = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	return 0;
}

解析：


那么为什么要存在对齐数呢?

大部分的参考资料是这么说的:

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。

总体来说:
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

在设计结构体时，我们既要满足对齐，又要节省空间，那么如何做到呢？
在设计结构体时，让占用空间小的成员尽量集中在一起。

如下面代码，结构体s2比s小。

struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	struct S s = {0};
	struct S2 s2 = { 0 };
	printf("%d\\n", sizeof(s));
	printf("%d\\n", sizeof(s2));
	return 0;
}

修改默认对齐数

默认对齐数是可以修改的只需添加#pragma这个预处理指令

例

#include<stdio.h>
#pragma pack(2)//把默认对齐数改为2
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//还原为默认

上述代码中
c1的成员大小为1默认对齐数为2取最小值1
i的成员大小为4默认对齐数为2取最小值2
c2的成员大小为1默认对齐数为2取最小值1

结构体偏移量也可以用C语言提供的库函数计算
例

#include <stddef.h>//引用的头文件
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", offsetof(struct S, c1));
	printf("%d\\n", offsetof(struct S, i));
	printf("%d\\n", offsetof(struct S, c2));

	return 0;
}

结构体传参

#include<stdio.h>
struct S
{
	int data[100];
	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);
	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:

1. 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。
2. 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。

位段

什么是位段

位段的声明和结构是类似的,但是有两个不同:

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。

如下图：

struct A
{
	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
	int _d : 30;//_b 成员占30个bit位
};

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。

内存空间是如何开辟的呢？

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;
}

开辟情况如下图

位段跨平台问题的原因

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 ，是含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，但可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

枚举

枚举顾名思义就是把可能的值一 一列举

枚举类型的定义

enum Day
{
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
enum Sex
{
	MALE,
	FEMALE,
	SECRET
};
enum Color
{
	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,一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初值。例如:

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

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?枚举有哪些优点:

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。

枚举的应用

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;
}

联合体

联合体的定义

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)。

例

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

联合体中，字符型（char）占一个字节，而整型（int）占四个字节，但是联合体的总大小却只占四个字节，这是为什么呢？搞清楚联合体的特点这个问题就迎刃而解了。

联合体的特点

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)。

计算如下代码

union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un un;
	printf("%p\\n", &un);
	printf("%p\\n", &(un.c));
	printf("%p\\n", &(un.i));
	return 0;
}

面试题

判断当前计算机的大小端存储

方法一

int check_sys()
{
	int i = 1;
	return *((char*)&i);
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\\n");
	}
	return 0;
}

方法二

int check_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\\n");
	}
	return 0;
}

联合体大小的计算

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

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