高阶C语言|结构体，枚举，联合--自定义类型的使用计算

news2024/11/24 6:58:30

自定义类型--结构体，枚举，联合

  • 一、结构体
    • 1.1结构体类型的声明
      • 1.1.1结构的基础知识
      • 1.1.2结构的声明
      • 1.1.3特殊的声明
    • 1.2结构体的引用
    • 1.3结构体变量的定义和初始化
    • 1.4结构体内存对齐
      • 1.4.1修改默认对齐数
    • 1.5结构体传参
    • 1.6结构体实现位段（位段的填充&可移植性）
      • 1.6.1什么是位段
      • 1.6.2位段的内存分配
      • 1.6.3位段的跨平台问题
      • 1.6.4位段的应用
  • 二、枚举
    • 2.1枚举类型的定义
    • 2.2枚举的优点
    • 2.3枚举的使用
  • 三、联合
    • 3.1联合类型的定义
    • 3.2联合的特点
    • 3.3联合大小的计算

一、结构体

1.1结构体类型的声明

1.1.1结构的基础知识

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。

1.1.2结构的声明

struct （结构体名字）
{
成员变量；
}（结构体变量）；

例如描述一个学生：

struct stu
{
char name[20];//姓名
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};//分号

1.1.3特殊的声明

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，未声明的结构体标签的结构体是临时性的。所以是非法的。
在这里插入图片描述

1.2结构体的引用

struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
//可行否？
否，因为该结构体成员struct Node next指向了本身，就会无限循环下去，sizeof(struct Node)=无穷大
在这里插入图片描述
正确的自引用方式：
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};
//链式访问，next存放下一个节点（data）的地址，通过结构体指针就能找到对应的节点，sizeof(struct Node)=8个字节
在这里插入图片描述

注意：

typedef struct Node
{
int data;
Node* next;
}Node;
//在重命名结构体为Node前，结构体内部就使用了Node这是不存在的，故该代码是不行的
//解决方案
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;

1.3结构体变量的定义和初始化

#include <stdio.h>
struct point
{
	int x;
	int y;
}p1;//声明类型的同时定义变量p1--全局变量
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 = { 3,4 };

struct Stu
{
	char name[15];
	int age;
};
struct Stu s = { "zhangsan", 19 };//初始化

struct Node
{
	int data;
	struct point p;//结构体嵌套
	struct Node* next;
};
struct Node n2 = { 20,{5,6},NULL };//结构体嵌套初始化
int mian()
{
	
	return 0;
}

1.4结构体内存对齐

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.结构体大小为最大对齐数（每个成员变量都一个对齐数）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。

看题：

#include <stdio.h>
//1
struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
//2
struct s2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
//3
struct s3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
//4
struct s4
{
	char c1;
	struct s3 x;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));
	printf("%d\n", sizeof(struct s3));
	printf("%d\n", sizeof(struct s4));
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
分析1：
在这里插入图片描述
分析2：
在这里插入图片描述
分析3：
在这里插入图片描述
分析4：
在这里插入图片描述
那么为什么会存在内存对齐呢？

  • 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，处理器总是按照固定的编号地址来读取数据，如果放置的数据未与对应的编号对齐的话，处理器需要做两次内存访问才能访问到数据，降低了其性能。

1.4.1修改默认对齐数

我们知道VS的默认对齐数为8，那么#pragma这个预处理指令可以修改默认对齐数

#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 c;
	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));
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
通过结果我们发现，对齐数不一样，结构体的参数是一样，但结构体的总大小是不一样的，计算方法还是跟前面的规则一样，注意的是设定对齐数与取消对齐数是围着结构体设置的，设置完要还原默认。

1.5结构体传参

#include <stdio.h>
struct s
{
	int data[1000];
	int num;
};
struct s s1 = { {1,2,3,4},1000 };
//结构体传参
void print1(struct s s1)
{
	printf("%d\n", s1.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct s* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s1);//传结构体
	print2(&s1);//传地址
	return 0;
}

对于结构体的传参有两种方式，传结构体和地址，但选择传地址是更好些
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开销。
如果传递一个结构体的对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能下降。
在这里插入图片描述
通过调试，在反汇编中也可以看出，传结构体需要的指令更多，这一系列就是压栈的操作
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

1.6结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

1.6.1什么是位段

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

  • 位段的成员必须是int、unsigned int 或 signed int
  • 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;
};
那么A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少？见下面分析

1.6.2位段的内存分配

  • 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
  • 位段的空间上是需要以4个字节（int）或者1个字节（char）的方式来开辟的
  • 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

例子：

#include <stdio.h>
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;
}

那么他的空间是怎样开辟的，见分析。
在这里插入图片描述
在调试中的内存中也可以观察到
在这里插入图片描述

1.6.3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，超出的位数就会发生截断）
  • 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，无法容纳与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。

1.6.4位段的应用

为了更好的进行数据传输，需要目的地址，源地址，才能进行相应的传输，同时在数据传输时，为了更高效地对数据传输时，就要合理的分配空间大小，在我们日常发送的信息时亦是如此。
在这里插入图片描述

二、枚举

2.1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
};

枚举就是例举，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。
这些可能的取值都是有值的，默认从0开始，一次递增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
};

2.2枚举的优点

  • 增加代码的可读性和可维护性
  • 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨
  • 便于调试
  • 使用方便，一次可以定义多个常量

2.3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;//ok?--no

在这里插入图片描述

三、联合

3.1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，特征是这些承压UN从用同一块空间（所以联合也叫共用体）。
比如：

#include <stdio.h>
//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;
	//计算联合变量的大小
	printf("%d\n", sizeof(un));
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
i占4个字节，c占一个字节，c公用i的空间，故大小为4
在这里插入图片描述

3.2联合的特点

联合成员是共用同一块空间的，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）

#include <stdio.h>
//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;

	printf("%d\n", &(un.i));
	printf("%d\n", &(un.c));

	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	printf("%x\n", un.i);
	return 0;

运行结果：
在这里插入图片描述
调试结果：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以很明显的看出他们使用了同一块空间，使用c时直接在i的空间进行覆盖，通过此方法可以判断当前计算机的大小端存储

#include <stdio.h>
//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;


	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	if ((char)(un.i) == un.c)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
分析：
在这里插入图片描述

3.3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堆砌整数倍的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un1
{
	char c[5];//成员大小为数组的大小为5，自身对齐数是数组成员的对齐数为1，默认对齐数8，取较小值1
	int i;//成员大小4，自身对齐数4，默认对齐数8，取较小值4
};
union Un2
{
	short c[7];//成员大小为数组的大小为14，自身对齐数为2，默认对齐数为8，取较小值2
	int i;//成员大小为4，自身对齐数为4，默认对齐数为8，取较小值4
};
int main()
{
	
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));//最大成员大小是5，最大对齐数是4，5不是最大对齐数的整数倍，要对齐最大对齐数的整数倍，故大小为8
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));//最大成员大小为14，不是对最大对齐数4的整数倍，要对齐到最大对齐数的整数倍，故大小为16
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

end~

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