【C语言：自定义类型（结构体、位段、共用体、枚举）】

news2025/1/19 23:16:09

文章目录

  • 1.结构体
    • 1.1什么是结构体
    • 1.2结构体类型声明
    • 1.3结构体变量的定义和初始化
    • 1.4结构体的访问
  • 2.结构体对齐
    • 2.1如何对齐
    • 2.2为什么存在内存对齐？
  • 3.结构体实现位段
    • 3.1什么是位段
    • 3.2位段的内存分配
    • 3.3位段的跨平台问题
    • 3.4位段的应用
    • 3.5位段使用注意事项
  • 4.联合体
    • 4.1联合体的声明
    • 4.2联合体的特点
    • 4.3联合体的大小
    • 4.4联合体与结构体的对比
  • 5.枚举
    • 5.1枚举类型的声明
    • 5.2枚举类型的优点

在这里插入图片描述

1.结构体

1.1什么是结构体

  • C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，
  • 假设我想描述学生，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不⾏的。描述⼀个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等；描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题，增加了结构体这种⾃定义的数据类型，让程序员可以⾃⼰创造适合的类型。
  • 结构体是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量，如：标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体。

1.2结构体类型声明

关键字：struct

struct stu   //stu 结构体的名字
{
	//以下是结构体的成员变量
	int age;
	char name[20];
	float score;
	//......
};  //分号不能丢

特殊声明方式：匿名结构体，即在声明结构体时不完全声明，省略了结构体的名字。

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

看下面的代码，这样做的结果时什么？

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

编译器会把上⾯的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的。
匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。

1.3结构体变量的定义和初始化

  1. 变量的定义
struct Point  
{
	int x;
	int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
  1. 变量的初始化
struct Point p3 = { 10, 20 };
struct Stu //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age; //年龄
};
struct Stu s1 = { "zhangsan", 20 };//按顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 20, .name = "lisi" };//指定顺序初始化
  1. 结构体嵌套、自引用
struct Node
{
	int data;
	struct Point p;//嵌套
	struct Node* next;//自引用
}n1 = { 10, {4,5}, NULL }; //结构体嵌套初始化
struct Node n2 = { 20, {5, 6}, NULL };//结构体嵌套初始化

1.4结构体的访问

结构体的访问有两种方式：

  • 直接访问：通过点操作符（.）访问
  • 间接访问：通过结构体指针访问，访问方式：结构体指针 -> 成员名

在这里插入图片描述

2.结构体对齐

在下面的代码中，char占1个字节，int占4个字节，那结构体的总大小就是5个字节，真的是这样嘛？

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

在这里插入图片描述

2.1如何对齐

要弄清结果为什么是8，我们就得了解结构体的对齐规则。

  • 1.结构体的第⼀个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为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 该成员变量大小的较小值。

  • 3.VS 中默认的值为 8

  • 4.Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。

  • 5.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，

  • 6.结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍

#pragma这个预处理指令，可以修改编译器的默认对齐数

#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认

到底是怎么对齐的呢？看下图
在这里插入图片描述

来练习几个吧

在这里插入图片描述

2.2为什么存在内存对齐？

大部分的参考资料都是这样说的：

  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。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。

总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
因此，设计结构体的时候，我们既要满足对齐，⼜要节省空间，就要让占用空间小的成员尽量集中在⼀起。

3.结构体实现位段

3.1什么是位段

你听说过位段吗？是不是只听说过段位呀哈哈

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 ，在C99中位段成员的类型也可以 选择其他类型,例如char。
  2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

位段的位其实指的就是二进制位，下面的A就是位段类型的

struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}

2+5+10+30=47bit，一个字节是8个bit,那是不是6个字节就够了呢？
在这里插入图片描述
结果是8个字节。为什么是8个字节呢？----那是因为位段也存在对齐，位段的总大小也要对齐到自己最大成员变量的整数被。
注意：位段后的数字不可大于该数字本身的大小，否则就报错

3.2位段的内存分配

关于位段在内存中是如何存储的，C语言标准并未给出定义，下面我们就研究以下在VS中，位段是如何存储的。

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;
}

我们假设如果第一个字节中放不下了，就放在下一个字节中，第一个字节中剩余的比特位就舍弃，那么就是下面的结果：
在这里插入图片描述
vs中是不是这样存储的呢？看图我们知道，确实就是这样存的。
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3.3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，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

因此：跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

3.4位段的应用

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的。
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3.5位段使用注意事项

  • 位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。
  • 所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。

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4.联合体

4.1联合体的声明

  • 像结构体⼀样，联合体也是由⼀个或者多个成员构成，这些成员可以是不同的类型。
  • 但是编译器只为最⼤的成员分配⾜够的内存空间。联合体的特点是所有成员共⽤同⼀块内存空间。所以联合体也叫：共⽤体。
  • 给联合体其中⼀个成员赋值，其他成员的值也跟着变化。

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4.2联合体的特点

  1. 所有变量公用同一块空间
  2. 改变一个成员，其它成员跟着变

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4.3联合体的大小

  • 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，就要对齐到最大对⻬数的整数倍。

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4.4联合体与结构体的对比

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因此，使用联合体是比较节省空间的。

5.枚举

5.1枚举类型的声明

枚举枚举，顾名思义，就是一一列举。在生活中可以一 一列举出来的就可以使用枚举类型。例如

⼀周的星期⼀到星期⽇是有限的7天，可以⼀⼀列举
⽉份有12个⽉，也可以⼀⼀列举
…

枚举的关键字是enum，枚举成员用逗号隔开，最后一个成员不加逗号
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  • 枚举的可能取值是常量，不能修改，因此我们也叫做枚举常量
  • 枚举类型的变量的值只能是枚举的可能取值

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enum day
{
	Monday,		
	Tuesday,	
	Wednsdsday = 10,	
	Thursday,	
	Friday,		
	Saturday = 20,	
	Sunday		
};

enum day d = Sunday;//使⽤枚举常量给枚举变量赋值

5.2枚举类型的优点

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. 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号
  4. 使用⽅便，⼀次可以定义多个常量
  5. 枚举常量是遵循作⽤域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使⽤

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