【C语言】自定义类型：结构体，枚举，联合体

一，结构体

       1，结构体类型的声明

       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

      1.2 结构的声明

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

列如描述一个学生：

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。

       2，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？

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

  答案是会进行死循环，这种写法是错误的！

       正确的自引用方式：

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

 使用指针方式就可以自引用不会造成死循环，因为指针的空间大小是定数

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

   3，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

      4，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

       以下是一些练习示例：

#include<stdio.h>
int main()
{
  struct S1
  {
    char c1;
    int i;
    char c2;
  };
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));
}

        结构体嵌套问题：

#include<stdio.h>
struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
int main()
{
  struct S4
  {
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
  };
  printf("%d\n", sizeof(struct S4));
}

考点

如何计算？

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。

   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。

#include<stdio.h>
int main()
{
  //例如：
  struct S1
  {
    char c1;
    int i;
    char c2;
  }s1;
  struct S2
  {
    char c1;
    char c2;
    int i;
  }s2;
  printf("%d\n%d", sizeof(s1), sizeof(s2));
}

S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。

       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;
}

        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

       5，结构体传参

      直接代码演示：

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;
}

  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。

       6，结构体实现位段

       6.1 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：

#include<stdio.h>
int main()
{
  struct A
  {
    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
  };
  printf("%d", sizeof(struct A));
  return 0;
}

        6.2，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

//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？

        6.3，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

二，枚举

       1，枚举类型的定义

       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！

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
};

  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，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??

   clr=5 会出现报错的，因为数据类型有差异!

三，联合

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

还有一些用例，比如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;
};
//联合变量的定义
int main()
{
  union Un un;
  un.i = 1;
  //计算连个变量的大小
  if (un.c == 1)
  {
    printf("小端存储");
  }
  else printf("大端存储");
  return 0;
}

       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：

#include<stdio.h>
int main()
{
  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));
  printf("%d\n", sizeof(union Un2));
  return 0;
}

四，总结

      本章节知识较多，覆盖的很全面，非常适合深入探究，当成复习学习资料都是一个很不错的选择！