本篇文章重点:
结构体
结构体类型的声明
结构的自引用
结构体变量的定义和初始化
结构体内存对齐
结构体传参
结构体实现位段(位段的填充&可移植性)
位段
什么是位段
位段的内存分配
位段的跨平台问题
位段的应用
枚举
枚举类型的定义
枚举的优点
枚举的使用
联合
联合类型的定义
联合的特点
联合大小的计算
前言
一、结构体
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.
(对比:数组是一组相同类型元素的集合)
1.2 结构的声明
1.3 特殊的声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明
匿名结构体类型
—>在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)
—>创建匿名结构体类型,不能在下面创建结构体变量,因为没有名字,不能写成struct s2;没有这种语法
—>只能是创建变量(一次性用品),匿名结构体只用一次,后面用不了了
那么结构体如何找到同类型的结构体变量?
数据结构:描述的是数据在内存中的存储结构
比如说: 存储1 2 3 4 5
(1)以顺序表的方式(连续的空间存放)存储:
(2)以链表的方式存储:
在数据结构中:
1.4 结构的自引用
结构的自引用: 结构体类型的对象还能找到同类型的结构体对象(变量)
怎样实现结构的自引用呢?
(1)错误思路:如果在自己类型里面包含一个和自己同样类型的变量可以吗? 不可以
(2)正确思路:自己类型包括一个自己类型的指针
(3)下面的代码正确吗?
解决方案
1.5 结构体变量的定义和初始化
(1)在定义类型的同时后面给个名字
(2)拿类型创建变量
在main外创建----全局变量
在main里创建变量----局部变量
1.6 结构体内存对齐
掌握结构体的对齐规则
1.结构体的第一个成员永远放在0偏移处
2.从第二个成员开始,以后的每个成员都要对齐到某个对齐数的整数倍处
对齐数:成员自身大小和默认对齐数的较小值
(vs中的默认对齐数是8,gcc环境下,没有默认对齐数,此时对齐数就是成员自身的大小)
3.当成员全部存放进去之后,结构体的总大小必须是所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍
如果不够,则浪费空间对齐
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
结构体的整体大小是所有最大对齐数(包括嵌套结构体的对齐数),从里面挑选一个最大的对齐数的整数倍
练习1
同一个结构体,成员变量换一下顺序,会有什么效果?
结构体成员在内存中的存放位置会发生改变,结构体的总大小可能会发生改变
宏offsetof(type,member) 计算相对初始位置的偏移量
type 类型,member 名字
返回值 :整数
头文件: <stddef.h>
通过利用宏offsetof来验证一下上面例子(同一个结构体,成员变量换一下顺序后)内存中的成员变量的位置
练习2
练习3
练习4 结构体嵌套问题
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,处理器需要做两次内存访问,而对齐的内存访问只需要一次访问
结构体的内存对齐是拿空间换取时间的做法(牺牲空间,提升性能)
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
(这样的话,原本可能浪费的空间这时可能被利用上)
1.7 修改默认对齐数
小知识点:
一次数据去读取多大的空间,取决于机器字长
32位字长机器一次读取32bit位(4字节)的数据,64位字长机器一次读取64bit位(8字节)的数据
VS默认对齐数是8,Linux没有默认对齐数
#pragma pack(8) //设置默认对齐数为8
#pragma pack() //取消设置的默认对齐数,还原为默认
注意
一般的对齐数设置为2^n,不会设置成3,5,7,9这样的数字,不要设置成奇数的偏移量.
结构体对齐方式不合适的时候,可以自己更改默认对齐数
1.8 结构体传参
结构体传参有两种方法:
1.传结构体对象
2.传结构体地址
结构体传地址会不会有隐患?
答:
用的妥当,既安全又提升效率
解释:
如果传的是结构体对象s,s传给函数保存时,形参是实参的一份临时拷贝,如果在函数里不小心修改s,也不会影响实参s,这样看的话传值更加安全
如果传的是结构体地址ps,但是在函数中可能通过ps把结构体s修改掉,这样看是不安全的.事实上,可以加const规避这样的风险,加上const,ps没有能力修改指向它指向的结构体s
结构体传参时首选 传对象还是传地址?
首选传结构体地址
解释:
函数传参的时候,参数需要压栈,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,参数压栈的系统开销比较大,所以会导致性能的下降.
因此,结构体传参的时候,首选传结构体地址
二、位段
2.1 什么是位段
位段:
1.位段的成员是整形家族的类型(比如char,int,signed int,unsigned int等)
2.位段的成员名后面有一个冒号和一个数字
struct A
{
int _a : 2; //2表示_a占用2个bit位
int _b : 5; //5表示_b占用5个bit位
int _c : 10; //10表示_c占用10个bit位
int _d : 30; //30表示_d占用30个bit位
};
A就是一个位段类型。
计算位段的大小
解析:
现在位段A这样看已经占用了2+5+10+30=47bit位,但是计算的结果是8字节(64bit位),为什么呢?
第一次申请4字节,最后剩下15bit位在第二次开辟之后有没有被利用呢?
2.2 位段的内存分配
知识点:
1.位段的成员是整形家族的类型(比如char,int,signed int,unsigned int等)
2.位段的空间是按照需要以4个字节(Int)或者1个字节(char)的方式来开辟的
(位段类型是int类型,一次开辟4字节
位段类型是char类型,一次开辟1字节)
3.位段涉及很多不确定的因素,位段是不跨平台的,注重可移植性的程序应该避免使用位段
不确定体现在:
在刚刚2.1中计算位段的大小的例子:
第一次申请4字节,最后剩下15bit位在第二次开辟之后有没有被利用,C语言没有明确的规定剩下的位段不够时,再开辟新的字节时,刚刚剩下的位段还利用不利用.这是不确定的,取决于编译器.
新开辟的32bit位在使用时是从地位向高位使用,还是从高位向低位使用,这些都是不确定的,C语言中无规定,这取决于编译器.
位段在VS中的内存分配
1.分配到的内存中的的比特位是从右向左(低地址向高地址)使用的
2.分配的内存剩余的比特位不够使用,浪费掉
分析位段在VS中的内存分配案例
(1)位段是char类型一次开辟一个字节(8bit位),全部初始化为0
(2假设一个字节内部是从右向左(低地址–>高地址)使用,高位剩下的比特位不够时,浪费掉
(3)先开辟1字节(8比特位):
a占用3比特位,在a中放入数据10,10的二进制序列是1010,放入只有三个比特位的a里面,只能存下010
b占用4比特位,在b中放入数据12,12的二进制序列是1100,4个比特位可以放得下
c占用5比特位,这时第一次开辟的一个字节还剩下一个比特位,不够存放,需要再开辟空间
(4)再开辟一个字节(8比特位):
c占用5比特位,在c中放入数据3,3的二进制序列是11,将3的二进制序列11放入5个比特位,放不够5位,高位补0
d占用4比特位,这时开辟的第二个字节空间还剩下3个字节,不够,再开辟
(5)再开辟一个字节(8比特位):
d占用4比特位,在d中放入数据4,4的二进制序列是100,将14的二进制序列放入4个比特位,放不够4位,高位补0
在内存中存储的是:
01100010 00000011 00000100
转换成16进制; 62 03 04
调用内存监视窗口查看&s,验证了内存中存的就是这个,说明VS中位段就是这样分配内存的
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还是不确定的,取决于编译器
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32,64位机器最大64)
比如说写成27,在16位机器会出问题
现在的PC机基本上都是64位,单片机上有8位,16位,32位机器
3.位段中的成员在内存中是从左向右分配还是从右向左分配,标准未定义,说明位段不跨平台
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的剩余位时,是舍弃剩余的位还是利用,这是不确定的.
2.4 位段的总结
位段优点:
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
位段缺点:
有跨平台的问题存在
2.5 位段的应用–>网络传输的数据包格式
这个数据包里面的版本号只需要4比特位,如果过将他设置成int类型,那么就是浪费空间了.
使用位段,节省空间,数据包变小,网络传输的负载下降,传输更快,使用效率更高
三、枚举
关键字:enum
枚举就是可能的值一一列举出来
3.1 枚举的定义
知识点
1.以上定义的enum Sex是枚举类型
2.{}中的内容是枚举类型的可能取值,也叫枚举常量
3.枚举常量都是有值的,默认是从0开始,一次递增1,当然在定义的时候也可以赋初值
疑惑解答
枚举变量的结果是整型,那么初始化可以给枚举变量赋值1个整数吗?就比如说enum Sex s=1;
解答
在C语言中编译是可以的,没问题,但是在C++中编译,报警告:无法从int类型转换成Sex,这时的语法检测严格,这样写是不行的.
结论
只能拿枚举类型给枚举变量赋值,才不会出现类型的差异
3.2 枚举的优点
问:
我们可以使用#define定义常量,为什么非要使用枚举?
解答:
枚举的优点:
1.增加代码的可读性和可维护性
比如说我们规定数字0代表exit,数字1代表play
写成下面枚举类型的形式
enum option{
exit,
play;
};
这样的话,exit本质上是0,play本质上是1,但是读者看到的是exit,play,不需要去翻看规定0代表什么,1代表什么,所以可读性增加
2.和#define定义的标识符比较,枚举有类型检查,更加严谨
枚举更加严谨体现在
3.防止了命名污染(封装)
#define EXIT 0 //这里的EXIT没有类型
如果使用枚举,EXIT是枚举类型
4.便于调试
在调试时,监视窗口可真实观察到枚举变量的值
#define 定义常量时,比如int arr[PLAY];
真正调试的是int arr[1],与眼睛看到的int arr[PLAY];不一致,所以不便于调试
5.使用方便,一次可以定义多个常量
四、联合(共用体)
4.1 联合类型的定义
关键字 union
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(所以联合体也叫做共用体)
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)
4.3 联合体的应用
大小端的判断
法1:
在之前的指针进阶文章中就涉及到这个问题,
思路如下:
定义一个变量int a=1;
如果是小端存储的话,a在内存中是01 00 00 00
如果是大端存储的话,a在内存中是00 00 00 01
拿到他的第一个字节的数据 *( char *)&a
判断这个数据是否等于1,如果等于1,说明是小端存储
法2:
联合体申请了4个字节
如果是小端存储的话,i在内存中是: 01 00 00 00
如果是大端存储的话,i在内存中是: 00 00 00 01
当i和c共用同一块空间时,内存的第一个字节存放的是c
如果发现c的值是1,说明是小端存储
如果发现c的值是0,说明是大端存储
因为联合体是共用一块空间,改i会覆盖修改c的值
巧妙之处:利用联合体的特点,巧妙的访问了内存中的第一个字节的数据
4.4联合体大小的计算
知识要点:
1.联合体的大小至少是最大成员的大小,注意是至少,不一定是最大成员的大小
2.联合体存在对齐
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
4.5 联合体与枚举,结构体的对比:
1.枚举里面放的是枚举的可能取值,不存在占用空间的问题
2.结构体里面的成员有自己的独立空间
3.联合体成员共用一块空间(牵一发动全身):在修改一个成员的时候,其他的成员都会被修改,所以联合体的成员:在同一时间,只能用一个成员
4.6 联合体的使用情景
学校里的职工具有2个身份
1.辅导员—>在宿舍是辅导员
2.讲师—>在讲台是讲师
这两个身份不会同时出现
对于这个人的身份的设置可以用一个联合体来设置,对这个人来说这两个身份不会同时存在
总结
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