自定义类型详解(C语言)

news2024/10/5 14:25:36

自定义类型

  • 一. 结构体
    • 1.1 什么是结构体
    • 1.2 结构体的声明
    • 1.3 特殊的声明
    • 1.4 结构体的自引用
    • 1.5 结构体变量的定义和初始化
      • 1.5.1 结构体变量的定义
      • 1.5.2 结构体变量的初始化
    • 1.6 结构体内存对齐
      • 1.6.1 为什么存在内存对齐
    • 1.7 修改默认对齐数
    • 1.8 结构体传参
  • 二. 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 位段的应用
  • 三. 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
  • 四. 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

一. 结构体

1.1 什么是结构体

结构体: 结构体是一些值的集合，这些值被称为成员变量，结构体中的成员变量可以是不同类型的变量

1.2 结构体的声明

struct tag //结构体名
{
 member-list; //成员列表
}variable-list; //结构体变量列表

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

在声明结构体时，可以不完全的声明，即结构体名可以省略，这种结构体一般被称为匿名结构体，只能使用一次

//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;

上面两个结构体在声明时都省略了结构体标签(结构体名)，那么问题来了，p=&x，这句话对嘛？

即使两个结构体没有名字，并且里面的成员变量完全相同，但编译器也会认为这是两个不同的结构体，所以这种写法是错误的

1.4 结构体的自引用

结构体的自引用: 结构体的自引用就是结构体里面又包含了本身

//代码1
struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

上述这种方式是错误的，因为我们在计算sizeof(struct Node)结构体里面又包含了自己，所以就会无限套娃，算不出来一个答案，正确的定义如下:

//代码2
struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
};

要将里面包含的结构体定义为结构体指针的形式，这样我们通过next的地址，就能很好的找到另一个结构体在内存中的位置

注意:

//代码3
typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？

这样写代码是错误的，因为在使用typedef时我们要对struct这个匿名结构体类型重命名，但在命名过程中遇到了Node*,编译器就会报错说之前没有见过Node这种类型，所以我们在用typedef时不要使用匿名结构体去重命名，这就类似于先有鸡还是先有蛋的问题，正确代码如下

//解决方案：
typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

一定要用完整的结构体声明方式去声明，才能用typedef重命名

1.5 结构体变量的定义和初始化

有了结构体，那么我们如何定义一个结构体变量并且为它初始化呢?

1.5.1 结构体变量的定义

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

如上:有两种方式定义结构体变量

  • 在声明类型的同时定义结构体变量，如上p1，p1属于全局变量
  • 利用结构体类型定义结构体变量，如上p2，p2属于局部变量

1.5.2 结构体变量的初始化

//初始化：定义变量的同时赋初值。
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

结构体变量的初始化也是两种方式

  • 在定义结构体变量时初始化，如上图 s
  • 结构体嵌套初始化，如上图n1，n2

1.6 结构体内存对齐

上面我们知道了结构体如何定义，声明，初始化，那么结构体成员变量在内存中是如何存储的？我们如何去计算一个结构体在内存中占用的字节数?

其实在计算结构体内存时有一定的对齐规则如下：

  • (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
    如何计算对齐数

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员数据类型大小的较小值.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。
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

默认对齐数是8，c1是第一个直接放在偏移量为0的位置，从第二个c2开始，要计算他们的对齐数，对齐数=该成员大小和默认对齐数的最小值，即1和8的最小值，显然是1，所以c2应放在1的整数倍上即下标为1的地址上，变量i同理，变量i的实际大小为4与默认对齐数的最小值还是4，所以要放在下标为4的整数倍的位置，即下标为4的位置，如下图
在这里插入图片描述
所以整个结构体的大小为8个字节

还有一种情况是结构体里嵌套一个结构体

struct S3
{
 char c1;
 struct S2 s2;
 char d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

c1的大小是1个字节，和默认对齐数(8)的最小值还是1，上面我们计算过S2里面三个成员变量的对齐数，其中最大的是i，即4，和默认对齐数的最小值是4，char的大小是1，和默认对齐数的最小值是1，所以S3的结构体内存图如下

在这里插入图片描述
所以S3的结构体大小是13个字节

1.6.1 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:==结构体空间对齐就是用空间换取时间的做法

1.7 修改默认对齐数

我们知道结构体内存的大小和默认对齐数有关，也和我们定义结构体成员变量的顺序有关，我们应将类型相同的变量定义在一起.这样可以使结构体所占内存尽可能小，同时也可以通过修改默认对齐数的方式

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

#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

如果觉得默认对齐数不合适时可以适当修改，但一般不轻易修改默认对齐数

1.8 结构体传参

结构体传参有两种方式

  • 将一个结构体变量传过去
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
 printf("%d\n", s.num);
}

int main()
{
 print1(s);  //传结构体
 return 0；
 }
  • 传一个结构体指针
void print2(struct S* ps)
{
 printf("%d\n", ps->num);
}

int main()
{
 print2(&s); //传地址
 return 0;

我们一般用第二种传地址的方式，因为参数在传递的过程中形参是实参的一份临时拷贝，形参也是要压栈的，直接传一个结构体变量所占的字节一般要比一个指针大的多，所以一般选择传地址

二. 位段

2.1 什么是位段

位段一般是通过结构体来实现的，位段的声明和结构体是类似的，有两个不同

  • 1.位段的成员必须是 char，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
struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

A就是一个位段类型，那么A占多少个字节呢

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
    1. 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。
    1. 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。
//一个例子
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;
//空间是如何开辟的

在VS的编译器上，会先配该数据类型对应的字节数，比如char a，先给a分配一个字节的大小，但a只占一个字节中的3个比特位，所以剩下5个比特位，b占4个比特位，剩下1个比特位不够c，因为c是char类型所以会在申请一个字节的大小，刚才剩下的一个比特位就被浪费掉了，新的一个字节c占五个字节，剩下三个字节不够d，就会在申请1个字节给d用

综上S的空间为3个字节

所以问题来了给s中的成员赋值时，会得到什么呢？

对于a来说10的二进制是00001010(char类型一个字节),但a中只能存储3位，所以会发生截断得到010，也就是10进制的2

其他的依次类推

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 位段的应用

因为位段比结构体更能用来节省空间，所以一般用在网络传输的数据报中，数据包中各部分都是用位段来规定大小的，因为数据报越小，在网络上传输速度就越快

三. 枚举

枚举顾名思义就是一 一列举

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，也叫做枚举常量

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。

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

如果不给初值，默认从0开始递增，如果某一个有初始值，这个值以下的往下递增，以上的还是从0开始递增

3.2 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. 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。
clr = 5;//这种C语言可以，但C++中不允许

四. 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）

//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));//计算出来是 4

4.2 联合的特点

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));
//上述两个输出的是一样的

//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);//0x55223344

联合在内存中相当于是
在这里插入图片描述
即char c共用int i的4个字节的地址

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
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));// 16

对于Un1，char c[5]的最大对齐数是1，int最大对齐数是4，所以该联合体最大对齐数是4，又因为c占5个字节，i占4个字节，所以至少要是5个字节，但还要是最大对齐数的整数倍所以只能是8

对于Un2，short c[7]的最大对齐数是2，int是4，所以该联合体的最大对齐数是4，又因为c占14个字节，i占4个字节，所以至少要是14个字节，但还要满足是最大对齐数的整数倍，所以是16

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