超详细的C进阶教程！深度解剖C语言自定义类型

Posted 2021-10-08 东条希尔薇

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自定义变量

• 引言
• 结构体
• • 结构体声明
  • • 匿名结构体类型
  • 结构体自引用
  • 结构体的定义与初始化
  • 结构体内存对齐
  • 结构体传参
  • 位段
• 枚举
• • 枚举的定义
  • 枚举的取值
  • 枚举的应用
• 联合体
• • 联合体定义
  • 联合的特点
  • 联合体大小的计算

引言

嗨喽小伙伴们我又来啦！冲冲冲！

在我们刚开始学C语言，还是个C语言萌新时候，想必已经对结构类型这四个字已经耳朵都快听出茧子了吧！

为了让计算机能够控制各种各样的数据，C语言中引入了像char,short,int,float,等基本数据类型。使我们能够控制一些简单的数据。

但是，有没有想过，有些复杂的数据类型，不能单纯的由一个基本数据类型描述的，该怎么办？

比如，我们要描述一个学生

变量名	基本数据类型
姓名	char
年龄	int
性别	char
成绩	float

亦或者，我们要描述一本书的信息

变量名	基本数据类型
书名	char
价格	float
作者	char
出版社	char

我们可以观察到，这些信息只用一个基本数据类型是远远不能描述的，所以，为了解决这个问题，我们引入了自定义类型

而解决以上的问题，用到结构体就行了

结构体

结构体是一堆值的集合，这些值被称为成员变量

我们可以在结构体类型中封装一系列变量，方便描述我们在引例中给出的复杂类型

结构体声明

它的声明通用方式是

struct tag//结构体类型名
{
	//member
	//这里定义成员变量
};//分号千万不能丢

可以紧跟在分号后面创建变量，创建的为全局变量，也可以直接在此进行初始化

{
	...
}s1,s2;//创建方式

例如，我们将引例中的例子来用结构体说明

//学生类型
struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	float score;
};

//书信息类型
struct Book
{
	float price;
	char name[20];
	char author[20];
};

等等。

但是下面有一种不寻常的声明方式

匿名结构体类型

声明的时候，可以省略结构体的名字

struct//这里的tag被省略了
{
	int a;
	int b;
}x;

因为省略了结构体类型名，所以我们不能在主函数中定义结构体变量了

在声明后面定义也是唯一的方式

结构体自引用

我们应该都接触过链表这种数据结构，它在内存中不是连续存放的，但它们之间有一种逻辑关系，可以把它们联系在一起

有没有想过，它们是如何联系起来的呢？

这样定义链表可以吗？

struct ListNode
{
	int data;
	struct ListNode next;
};

萌新可能比较容易理解为，一个链表先是一个数据，而为了存放下一个链表，在结构体中再定义一个结点结构体，方便查找下一个结点

如果这样可行的话，那这个你怎么算？

sizeof(struct ListNode)

很显然算不出来，因为在一个结构体中再定义一个自己，自己套自己，将会无限套娃下去

所以这个方法显然不可行

那么，如何实现正确的自引用呢？

正确的自引用方式

可以考虑使用地址，还是拿链表举例

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

它现在在内存中的存储就是这样的了

结构体的定义与初始化

定义：全局定义，局部定义

定义的类型名：struct tag

例如定义一个学生变量

struct Stu s1;

初始化：用大括号初始化，成员变量用逗号隔开

还是上面的学生类型

s1={"zhangsan",18,"man",99,5};

初始化也可以嵌套初始化

结构体内存对齐

这里我们主要讨论一个问题：如何计算结构体类型的大小

struct S1
{
	char a;
	char b;
	int c;
};

struct S2
{
	char a;
	int b;
	char c;
};

int main()
{	
	printf("%d,%d\\n",sizeof(struct S1),sizeof(struct S2));
	return 0;
}

可能大家就猜测了，一个char1字节，一个int4字节，大小是不是就是6字节啊？

遗憾的是，并不是，不仅不是，这两个结构体大小都不一样

那怎么计算结构体变量大小的呢？

这里就需要用到结构体对齐了，直接先上结论再解释

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中的默认值为4

3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍。

这里画图为大家详细的解释一下

现在大家应该就会算结构体类型大小的吧？

那为什么会存在内存对齐现象呢？

大家可以重点记住，这是一种用空间换取时间的做法

为了节省空间，我们可以把小的成员变量定义在一起

默认对齐数也是可以修改的

#pragma pack()//括号内是默认对齐数，建议修改为2^n

结构体传参

结论：传参的时候尽量使用指针，因为传值调用需要压栈，会重新复制一份
结构体，导致性能的下降，而在函数内修改结构体的内容也必须用到指针

使用方法

void func(struct S2* ps)
{	
	ps->a=0//注意这里使用箭头，结构体为指针时的成员访问方式
}

位段

这里好多教材上都没有哦！

我们需要先明白几个概念：

1. 这里的位，指的是二进制的位
2. 位段可以同样使用结构体实现
3. 位段的成员必须是int,unsigned int(标准的定义没有char类型，但经过实验，char类型也可实现位段)

位段的声明如下

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

位段名后面必须跟一个冒号和数字

那么，位段是如何开辟的空间？

重点：位段后面的数字，表示这个变量需要占用的比特位

例如test结构体位段

如果我们尝试修改呢？

注意，这里同样会发生截断现象！

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

int main()
{
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}

它在内存中的情况就应该是以下这样

通过调试，验证了我们的结论

位段设计出来，有什么作用呢？

可以节省空间
比如，我们的学生类型中的分数变量，我们发现分数永远不会超过100分，所以我们只需要7个比特位存储，而不需要占用4字节，也就是32比特位了

枚举

注意，枚举是一种常量类型！

它与define定义的宏，和const都属于常量

顾名思义，枚举类型就是把可能的取值，一一列举出来

枚举的定义

枚举的通用定义如下

//enum枚举关键字

enum name//枚举类型名
{	
	//member list枚举成员名
};

比如我们要定义一个星期

//enum为枚举类型关键字

enum Day
{
	MON,
	TUES,
	WED,
	THUR,
	FRI,
	SAT,
	SUN
};

枚举的取值

默认第一个变量为0，一次递增1，当然可以在定义中赋予初值，后面的变量会继续以被赋予的值继续加一

enum Day
{
	MON=1,
	TUES,
	WED,
	THUR,
	FRI,
	SAT,
	SUN
};

枚举的应用

基本使用：

可以定义枚举类型的变量，注意！定义了便不能被修改！

enum Day day1=MON;//定义了一个day1的枚举类型常用，初始化为MON

应用

比如我们要实现一个计算器

写一个计算器的菜单

1. add 2. sub
2. mul 4. div

我们在代码的选项中可以这样写

switch (option)
case 1:
case 2:
case 3:
case 4:

用数字来代替选项，会带来许多不必要的麻烦，如菜单对照等

我们考虑可以使用枚举变量

enum Option
{
	ADD=1,
	SUB,
	MUL,
	DIV
};

将菜单改为以下这样，就方便我们进行对照了

switch (option)
case ADD:
case SUB:
case MUL:
case DIV:

联合体

它的特征是成员变量共用一块存储空间

联合体定义

与结构体定义类似

union Test
{	
	char c;
	int i;
}

联合的特点

就是共用一块成员变量，我们可以写个简单的代码验证一下

union U
{
	int i;
	char c;
}u;

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

输出结果为

联合体大小的计算

也存在内存对齐现象

1. 至少为成员最大变量的大小，因为要确保能容纳下最大的变量
2. 当最大成员大小不是最大对齐数整数倍的时候，要对齐到最大对齐数的整数倍

例如

union U
{
	char c[5];
	int i;
}

因为最大对齐数是4(int)，并不是最大变量5的整数倍(char[5])

所以对齐前是5字节，对齐后就是8字节