C语言自定义类型一网打尽（结构体位段/位域枚举联合体）

Posted 2022-08-04 林夕07

前言

C语言自定义类型有：结构体、枚举、联合体
内置类型有：int、char、long、double、short、float等。

结构体-struct

结构体声明

结构体 - 描述一个学生 名字，年龄，电话，性别
定义 下面s1,s3为结构体全局变量。 struct Stu s2 = "张三",20,"15129521207","男" ; s2就是正常局部变量的创建及初始化。

struct Stu

	char name[20];
	short age;
	char tele[12];
	char sex[5];
s1, s3;

起别名：需要使用关键字typedef。下面就是将结构体Stu起了一个S的别名。之后就可以用别名代替结构体名。S s1;

typedef struct Stu

	char name[20];
	short age;
	char tele[12];
	char sex[5];
S;

匿名结构体

匿名结构体 只能·使用一次。编译器会将下面俩个当成不同结构体。

// 匿名结构体类型
struct

	int a;
	float b;
x;

// 匿名结构体指针
struct

	int a;
	float b;
*p;

初始化

普通结构体题初始化

struct Stu

	char c;
	int a;
	double d;
	char arr[20];
;
int main()

	struct Stu s =  'c', 12, 3.6, "林夕" ;
	printf("%c %d %f %s\\n", s.c, s.a, s.d, s.arr);

嵌套结构体类型

struct Tea

	double weight;
	short age;
;

struct Stu

	char c;
	struct Tea st;
	int a;
	double d;
	char arr[20];
;

int main()

	struct Stu s =  'c',120.6, 22, 22, 5.6, "林夕" ;
	printf("%c %f %hd %d %f %s\\n", s.c, s.st.weight, s.st.age, s.a, s.d, s.arr);

结构体变量成员修改

#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Book

    char name[20];
    short price;
;
 
int main()

    struct Book b1 =  "C++", 51 ;
    strcpy(b1.name, "c"); // 结构体变量成员修改
    b1.price = 34; // 结构体变量成员修改
 
    printf("%s %d\\n", b1.name, b1.price);
    printf("%u\\n", sizeof(b1));//22
    return 0;

结构体内存对齐

结构体对齐规则：
• 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处
• 其他成员变量要对其到某个数字（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中默认的值为8（gcc无默认对齐数，就按照该成员的大小）
• 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。

关于字节对齐：
• 结构体各成员的起始位置相对于结构体变量的起始位置的偏移量，应该为该结构体成员类型所占字节数与pack(n)的n取最小值的倍数
• 结构体变量所占字节数应该是结构体各成员所占字节数的最大值与pack(n)的n取最小值

例子

#include <stdio.h>
 
struct S1

    char c1;
    int a;
    char c2;
;
 
struct S2

    char c1;
    char c2;
    int a;
;
int main()

    struct S1 s1 =  0 ;
    printf("%u\\n", sizeof(s1));//12
    struct S2 s2 =  0 ;
    printf("%u\\n", sizeof(s2));//8
    return 0;

为什么存在内存对齐？
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个地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。（比如整型只能在4的倍数取出数据）
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，处理器需要作俩次内存访问；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。

修改默认对齐
#pragma pack(8) 设置默认对齐数为8
#pragma pack() 取消默认对齐数，还原为默认

计算结构体所占字节数

练习1：

struct S1

char c1;
int a;
char c2;
;

分析：
最开始是c1字符类型，直接放
a是整型，4字节与8字节相比，4小。所以要从地址4的倍数开始，与前面空三个，
c2是字符型，4字节与8字节相比，1小，所以从地址1的倍数就是放，紧挨着上面放
总大小是最大对齐数的倍数 最大对齐数为4 ，现在已经占了9个字节，所以总的大小就是12个字节。在下面又空三个字节

练习2：

struct S2

	char c1;
	char c2;
	int a;
;

分析：c1占一个字节，c2也占一个字节，a是四个字节，所以先跨过俩个字节，然后占四个字节。

练习3：

struct S2

	char c1;
	char c2;
	double a;
;

分析：首先c1从开始占一个字节
c2 也是一个字节 紧挨上面 也占一个字节
a占8个字节，中间空六个字节，然后又占八个字节，
总大小是最大对齐数， 最大对齐数为：8 刚好，所以就是16字节

练习4：

struct S3

	char c1;
	char c2;
	double a;
;

struct S4

	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
;

分析：首先c1占一个字节，
s3是一个结构体，该结构体内最大对齐数是8，与vs8的字节相比，就是8。所以先空7个字节，然后占用16个字节
d是8个字节，前面刚好是8的倍数24，再占8个字节
总大小是最大对齐数=8，前面共32 刚好是32.

结构体传参

原理：传值用 . 传地址用->
例如下面这张图：

问题：上面函数那个好一点？
答：首选2，因为传参需要压入栈中，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较大，所以会导致性能的下降。而传入指针是固定的4/8个字节

offsetof结构体偏移量

函数原型：size_t offsetof(strcut Name,memberName);
头文件：#include<stddef.h>
看下面代码即懂。（不要在意头文件的位置）

位段/位域

位段的声明和结构体是类似的，有俩个不同：
• 位段的成员必须是int、unsigned int 或 signed int。（char也行）
• 位段的成员名后面有一个冒号和一个数字。（int类型数字不能大于4*8 = 32）

位段的内存分配
1、位段的成员可以是int ，unsigned int ，signed int(有符号整形) 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)或者一个字节(char)的方式来开辟的。
3、位段涉及很多不确定因素，段位是不跨平台，注重可移植的程序应该避免使用位段。
例子：

内存结构：

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)
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、当一个结构体含俩个位段，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

枚举

枚举类型的定义

enum Sex

	MALE = 2,
	FEMALE = 4,
	SECRET = 8,
;

优点如下：
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、便与调试（define会在预编译就处理好了。）
5、方便使用，一次可以定义多个常量

枚举的使用
错误

联合（共用体）

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

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）。 同一时刻用i变量不能用c变量

面试题：判断当前计算机的大小端存储。
方法一：

方法二：

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时，就要对齐到最大对齐数的整数倍
比如：