c语言篇 +自定义类型（枚举联合结构体）以及位段

Posted 2021-10-09 IT莫扎特

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了c语言篇 +自定义类型（枚举联合结构体）以及位段相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

结构体

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

结构体类型的声明

比如描述一个学生的信息

//结构体
struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}s1,s2;

struct Stu表示的是一个结构体类型，s1和s2表示的是一个结构体变量
蓝色阴影部分表示的是一个结构体类型 (请搞清楚它们之间的关系)

而s1、s2、s3表示的都是结构体变量

结构体的特殊声明

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;

int main()
{
	结构体指针变量指向结构体变量
	p = &x;
	return 0;
}

以上这种初始化指针变量的方式正确吗？

很明显这种初始化方式是不对的，因为匿名结构体类型他并没有具体的类型，虽然指针变量和普通变量都是匿名结构体类型，可在编译器却不这么看待，编译器把他们分为不同的类型看待，即使是成员一样却还是不同的类型，所以这种初始化方式是不对的，编译器也很不客气地报出警告，读者可以把匿名结构体类型看作是一次性用品

结构体定义的错误示范

struct Node 
{
	int a;
	struct Node b;
};

编译器也是很不客气的不让你通过

原因很简单，这相当于是一次无限嵌套，struct Node结构体嵌套一个struct Node b，但是struct Node b又是一个结构体变量，它里面又是两个成员就这样会死循环下去，那内存怎么为它开辟空间呢

结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢
答案是可以的，将来博主写数据结构文章的时候再来给大家展示这种代码的写法

//方法一
struct Node
{
	int data;
	struct Node *next;
};
//方法二
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node *next;
}Node;

结构体变量的定义和初始化

//初始化局部结构体变量
struct stu
{
	int age;
	char name[20];
	char sex[2];
	int score;
};
//结构体嵌套
struct secret
{
	struct stu se;
	int id;
	char skill;
};

//定义全局的结构体变量并初始化
struct stu lisi = {20,"李四"，"男"，99};

int main()
{
	//定义一个局部的结构体变量并初始化
	struct stu jack= {18,"jack","男"，100};
	//解套结构体变量的初始化
	struct stu tom= {{18,"jack","男"，100},200,"拳击"};
	return 0;
}

结构体内存对齐

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。
3. 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
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。
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。

如果读到这里你都会的话，那么来看一组题目吧，计算的是结构体变量的大小

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S1));// 12

分配出去的空间是从0 ~ 11这一段，红×表示的是浪费掉的空间，从图中我们可以看出c1是占用一个字节的，而i是占用4个字节的的，c2又占用一个字节，成员所占用的空间再增加浪费的空间总的分配出去的空间就是12啦
如果再细致一点讲解也可以根据前面的概念讲解
c1呢会被分配在0位置处，因为他是结构体的第一个成员，它的类型是char，他会占用一个字节的空间，而变量i的类型是int，int类型的大小是4字节，vs的默认对齐数是8，结构体对齐数取较小值那就是4，所以会将变量i存放在4的位置处，从此开始存放四个字节，而中间的1、2、3这三个字节会白白浪费，而c2会被放在变量i的后面(char的大小是1，任何整数都是1的倍数)，那么0 ~ 8 就是9个字节大小了，而结构体总大小为最大对齐数的整数倍。9明显不满足，所以会再浪费3个字节，9 + 3 = 12，12刚好就是最大对齐数的整数倍数

紧接着再来看一组


//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

printf("%d\\n", sizeof(struct S2));

c1所占用的空间是一个字节，并且他是位于结构体的第一个变量，所以他被放在0位置处，c2是char类型占一个字节，vs的默认对齐数是8，而char类型的大小是1，最大对齐数取1，所以被放在1的位置处，恰好是1的整数倍，由于i的变量类型是int，是占用4个字节的空间，vs的默认对齐数是8，结构体对齐数取最小值，变量i的对齐数是4，所以他要被放在4的倍数位置处，那就是从位置为4开始存放4字节空间的大小，而位置2和3处并没有使用，所以会白白浪费点，系统为结构体变量分配出去的空间就是0 ~ 7的范围，所以会分配8字节空间

//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S3));

讲到这里，相信你应该知道对齐规则了
以下留给大家推敲，进步空间留给自己，相信你很快就能掌握

再来看一组

//练习4-结构体嵌套问题
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\\n", sizeof(struct S4));

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。c1依旧是放在0位置处只占用一个字节，而结构体变量s3的对齐数就是8了，会从8的位置开始，填充16个字节，成员d的对齐数是8会从24的位置开始往后填充8个字节

为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是如是说的：

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。
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

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

修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变我们的默认对齐数

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
//12
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
//6
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()
{
	printf("%d\\n", sizeof(struct S1));// 12

	printf("%d\\n", sizeof(struct S2));//6

	return 0;
}

结论：结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。

offsetof宏介绍

offsetof返回指定成员从其父数据结构开始的字节偏移量。

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\\n", offsetof(struct S1,c1));

	printf("%d\\n", offsetof(struct S1,i));

	printf("%d\\n", offsetof(struct S1,c2));

	return 0;
}

使用效果如下

以后计算结构体变量的大小也可以根据成员在结构体中偏移量的位置计算处结构体的大小，这样也就更省事了

结构体传参

struct S {
 int data[1000];
 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(const struct S* ps) {
 printf("%d\\n", ps->num);
}
int main()
{
 print1(s);  //传结构体
 print2(&s); //传地址
 return 0; }

可以想的到出结构体传参其实是有消耗的尤其是值传递，结构体成员越大，结构体变量的空间就占用的越多函数传参的时候，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，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降
结论：结构体传参，首选传址

位段

位段的声明和结构是类似的，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。
3.使用位段可以节省空间哦

struct A {
 int _a:2;  //分配2个比特位
 int _b:5;	//分配5个比特位
 int _c:10; //分配10个比特位
 int _d:30; //分配30个比特位
};
printf("%d ",sizeof(struct A));

编译器显示的结果通过计算可以得出总的比特位是47 ，一个字节是8个比特位，6个字节也才48个比特位啊，而在使用sizeof计算的时候却求得了8个字节，可以看出即使是使用了位段，但是在实际中还是会浪费一定的空间，但是也明显的节省了空间

来看这段代码

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;
	printf("%d ",sizeof(struct S));
	return 0;
}

可以看出使用位段后明显极大地节省了内存，原来应该是占用四个字节，现在只需要占用3个字节

进一步的分析你会知道它的内部原理

简单理解就是每次都分配一个字节的空间出去，不够了再分配一个字节的空间，而一个字节恰好又是8个比特位，根据siezeof计算求出的结果可以知道是分配出去3个字节的空间的，那么这3个字节的空间又该怎么使用呢？

梳理一下采用位段分配方式后他们之间的内存布局关系

首先我们得求出各个成员变量的十进制数对应的二进制序列，当然这只是一部分

再将它们逐一摆放到对应的位置，到这里就得联想我们之间的位段概念了，成员变量的位段有多大，那么分配数值的时候就会截取它对应的二进制序列的位数

截取之后的结果是这样子的

最后再还原出来，
1、那么第一个字节就是01100010对应的16进制数就是62
2、第二个字节就是00000011对应的16进制数就是3
3、第三个字节00000100对应的16进制数就是4

调试运行后的结果，很明显跟我们预期的结果是一样的

位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
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。
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。
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。位段的应用

位段的应用

有兴趣的可以自行研究

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：一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举。
性别有：男、女、保密，也可以一一列举。月份有12个月，也可以一一列举颜色也可以一一列举。这里就可以使用枚举了

枚举类型的定义

enum Day//星期
{
 Mon,
 Tues,
 Wed,
 Thur,
 Fri,
 Sat,
 Sun
};

enum Sex//性别
{
 MALE,
 FEMALE,
 SECRET
};

以上定义的 enum Day ， enum Sex 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。

枚举的使用

enum day//颜色
{ 
 Mon=1, 
 Tues=2, 
 Wed=3, 
}; 
enum day s1= Mon;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。
s1 = 1; //ok??

注意在赋值的时候不要将一个整形值赋值给一个枚举类型的变量，如果是在.c文件编译的时候并不会出现明显问题，但是换做.cpp文件，那么编译器就会毫不客气地不让你通过，这也属于落类型语言的缺陷，修正方法是将枚举常量赋值给枚举变量

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

联合

联合类型的定义

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：

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

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）。

union Un 
{ 
 int i; 
 char c; 
}; 
union Un un; 
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%d\\n", &(un.i)); 
printf("%d\\n", &(un.c)); 
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344; 
un.c = 0x55; 
printf("%x\\n", un.i);

由于联合体的成员是共用同一块内存空间的，当这个联合体变量被创建出来，它内部的成员地址都是一样的，那么这个联合体占用多大的空间呢，这是依据他最大成员的类型决定的，所以&(un.i)和&(un.c)的结果是一样的

un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\\n", un.i);
再来看着一段代码，你觉得结果会是什么呢？请把你的答案在心中默念一遍，这里直接借助调试观察
由于是小端存储，所以它的低地址处会存放在低地址处，高地址会存放在高地址处，
当这句代码一执行，可以看出它的低地址处发生了变化，因为un.c 成员是char类型,只占用一个字节,对他已修改，直接导致结果变化
程序运行的结果

判断机器是大端还是小端

思路：联合体的成员都是共用同一块内存的，那么只要将占用空间最大的那个成员初始化为1，那么就相当于将整个共用体的内存都给初始化了（00 00 00 01），再让u.c去访问这块内存访问的就是低地址处的01，就是1，小端存储是低地址放在低地址处，高地址放在高地址处

union Un
{
	char c;
	int i;
};

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

联合大小的计算

联合的大小至少是最大成员的大小。
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]; 
 int i; 
}; 
union Un2 
{ 
 short c[7]; 
 int i; 
}; 
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\\n", sizeof(union Un1)); //8
printf("%d\\n", sizeof(union Un2));//8

先看
union Un1
{
char c[5];
int i;
};
c的对齐数是1因为类型是char，而i的对齐数是4，因为类型是int，取对齐数4，所以联合体的总大小必须是4的倍数，为数组c分配的空间在0 ~ 4的范围，分配出去5个字节的空间，不是4的倍数，所以为了内存对齐会浪费3个字节的空间，那么共用体的大小就是8，
union Un2
{
short c[7];
int i;
};
short类型大小是2字节，int类型大小是4，取对齐数是4，数组c占用的空间是2 * 7 = 14，并不是4的倍数，以为了内存对齐会浪费2个字节的空间，那么共用体的大小就是16，