C语言进阶之自定义类型（结构体，枚举，联合）

news2024/11/25 15:53:18

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  • 1.结构体
    • 1.1 结构的基础知识
    • 1.2 结构的声明
    • 1.3 特殊的声明
    • 1.4 结构的自引用
    • 1.5 结构体变量的定义和初始化
    • 1.6 结构体内存对齐
    • 1.7 修改默认对齐数
    • 1.8 结构体传参
  • 2. 位段
    • 2.1 什么是位段
    • 2.2 位段的内存分配
    • 2.3 位段的跨平台问题
    • 2.4 位段在网络传输中的应用
    • 3. 枚举
    • 3.1 枚举类型的定义
    • 3.2 枚举的优点
    • 3.3 枚举的使用
  • 4. 联合（共用体）
    • 4.1 联合类型的定义
    • 4.2 联合的特点
    • 4.3 联合大小的计算
    • 结语

1.结构体

1.1 结构的基础知识

C 语言允许定义可存储相同类型数据项的变量，结构体是 C 编程中另一种用户自定义的可用的数据类型，它允许您存储不同类型的数据项。

结构体中的数据成员可以是基本数据类型（如 int、float、char 等），也可以是其他结构体类型、指针类型等。

1.2 结构的声明

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

例如描述一个学生：

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

1.3 特殊的声明

在声明结构的时候，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;
}a[20], *p;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

警告：
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。

1.4 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？
我们以数据结构当中的链表节点为例

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

所以答案是可以的，需要注意的是，我们看下面的写法

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

这种写法是错误的，因为重命名Node定义在结构体最后，而指针在前，无法找到下一个结构体，所以是错的
改正后:

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

1.5 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，其实很简单。

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

//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = { x, y };


struct Stu        //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age;      //年龄
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };//初始化


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

1.6 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。
现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。
这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐
那么如何计算结构体所占内存呢？

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。
    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中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
  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。

为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是如是说的：

  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。
以下面的结构体为例

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

在这里插入图片描述
占用具体情况如下
在这里插入图片描述
这里第一个char类型占一个字节后，为了对其结构体中最大类型的对齐数int，也就是4个字节，所以补齐4个字节后，再存第二个int类型，第三个char因为前面8个字节已经对其，是最大对齐数的整数倍，所以直接进行存储，但是在整个结构体内存计算时，9个字节不是最大对齐数的整数倍，所以再补齐4个字节，也就是12个字节。

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。
将上面这个结构体稍作调整后

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

在这里插入图片描述
占用具体情况如下
在这里插入图片描述
两个结构成员一模一样，但是所占空间的大小有了一些区别
我们再看下面这个题目

int main()
{
	struct S1
	{
		double d;
		char c;
		int i;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	struct S2
	{
		char c1;
		struct S1 s1;
		double d;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
需要注意的是，在有结构体嵌套的情况下，char类型之后，只需补齐自身创建类型的最大对齐数，也就是double，即8个字节，往后正常按对齐数补齐，结构体整体大小对其包含嵌套结构体在内对其。

1.7 修改默认对齐数

之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，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
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
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()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

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结论：
结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

1.8 结构体传参

直接上代码：

#include <stdio.h>
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(struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s);  //传结构体
	print2(&s); //传地址
	return 0;
}

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那么上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
原因：
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：
结构体传参的时候，要传结构体的地址。

2. 位段

2.1 什么是位段

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。
    比如：
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

A就是一个位段类型。
那位段A的大小是多少？

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

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2.2 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。

比如下面这个例子：

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

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2.3 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。

总结：
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。

2.4 位段在网络传输中的应用

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3. 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
这里就可以使用枚举了。

3.1 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
}；
enum Color//颜色
{
	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，依次递增1，当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
例如：

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

3.2 枚举的优点

为什么使用枚举？
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
  4. 使用方便，一次可以定义多个常量

3.3 枚举的使用

enum Color//颜色
{
 RED=1,
 GREEN=2,
 BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。

4. 联合（共用体）

4.1 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;
};
int main()
{
	//联合变量的定义
	union Un un;
	//计算连个变量的大小
	printf("%d\n", sizeof(un));
	return 0;
}

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4.2 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
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	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);
}

在这里插入图片描述
我们可以看到一个共用体是用同一块空间的，所以不要两个变量同时使用。

利用联合体判断当前计算机的大小端存储
代码如下:

int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}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;
}

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4.3 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。
比如：

union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};

int main()
{
	//下面输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));

	return 0;
}

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所以联合体的存储也是遵循对其规则的

结语

有兴趣的小伙伴可以关注作者，如果觉得内容不错，请给个一键三连吧，蟹蟹你哟！！！
制作不易，如有不正之处敬请指出
感谢大家的来访，UU们的观看是我坚持下去的动力
在时间的催化剂下，让我们彼此都成为更优秀的人吧！！！
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