【C语言进阶】自定义类型详解(结构体、枚举、联合)

简介: 【C语言进阶】自定义类型详解(结构体、枚举、联合)



🗒️前言

C语言提供了一些由系统已定义好的数据类型,如:int,float,char等,用户可以在程序中用它们定义变量,解决一般的问题,但我们要处理的问题往往比较复杂,只有系统提供的类型还不能满足应用的需求,C语言允许用户根据自己建立一些数据类型,并用它来定义变量。

一、结构体

1.1结构体的认识:

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。

声明一个结构体类型的一般形式:

struct      结构体名

       {

       //成员变量,是用来描述结构体对象的相关属性

       成员列表

       };

注意:结构体类型的名字是由一个关键字struct和结构体名组合而成的(例如:struct  Student)。结构体名是由用户指定的,又称“结构体标记”,以区别于其他结构体类型。上面结构体中的Student就是结构体名。

          花括号内是该结构体所包含的子项,称为结构体成员。上例中的num,name,age,sex等都是成员。

1.2结构体的声明

1.先声明结构体类型,再定义该类型的变量

struct Student
{
  int num;      
  char name[20];    
  char sex[5];    
  int age;      
};
int main()
{
    struct Student s1;
    struct Student s2;
    return 0;
}

2.在声明类型的同时定义

struct Student
{
  int num;      
  char name[20];    
  char sex[5];    
  int age;      
}s1,s2;

这种方法定义的一般形式为

struct   结构体名

{

       成员列表;

}变量名列表;

注意:声明类型和定义变量放在一起进行,能直接看到结构体的结构,比较直观,在写小程序时用此方法比较方便,但在写大程序时,往往要求对类型的声明和对变量的定义分别放在不同的地方,以使程序结构清晰,便于维护。

下面我们通过图来加强对结构体类型和结构体变量的理解

1.3结构体的特殊声明

在声明结构的时候,可以不完全的声明。匿名结构体类型,例如:

//匿名结构体类型
struct
{
     int a;
     char b;
     float c;
}x;
struct
{
     int a;
     char b;
     float c;
}*p;

只能使用一次

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)。

       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结构体的自引用

struct Node
{
     int data;             //数据域
     struct Node* next;    //指针域
};

       struct Node next;

写成这样是错误的,sizeof(struuct Node)的大小是未知的。  

1.5结构体的初始化和访问

struct Student
{
  int num;      
  char name[20];    
  char sex[5];    
  int age;  
};            
int main()
{
  struct Student s1 = { 114202,"张三","男",18 };
  printf("%d %s %s %d\n", s1.num, s1.name, s1.sex, s1.age);
  return 0;
}
//结构体嵌套初始化
struct Node
{
     int data;
     struct Point p;
     struct Node* next; 
}n1 = {10, {4,5}, NULL};

在定义结构体变量时可以对它的成员初始化。初始化列表是用花括号括起来的一些常量,这些常量依次赋给结构体变量中的各成员。

注意:是对结构体变量初始化,而不是对结构体类型初始化。

结构体的访问

p指向一个结构体变量stu

  1. stu.成员名
  2. (*p).成员名
  3. p->成员名

1.6结构体内存对齐

结构体内存对齐多数情况下是用来计算结构体大小,接下来让我观察下面的代码,两个结构体的大小是多少

根据我们现在的知识char是一个字节,int是四个字节,所以这两个结构体的大小是6个字节。但结果却和我们想象中不同,这是为什么呢?就让我们带着疑问进入下面的学习。

我们先通过一个宏(offsetof)观察结构体中各成员变量距离起始位置的偏移量

offsetof的功能:计算结构体成员变量相较于结构体起始位置的偏移量

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。

例如:

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。  

读取i时要访问两次

第一次从齐边界读取4个字节,但i只覆盖了3个字节,还要再读一次才能获得完整的i

总结:

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。我们将让占用空间小的成员尽量集中在一起,就可以节省空间。

1.7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

1.8结构体传参

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;
}

print2函数更好

原因:函数传参的时候,参数是需要压栈的。

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。

二、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。

例如:

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

4个整型应该是16个字节,现在为什么是8个呢?

在内存中有些数据很小,例如存储1,2,3只需要两个二进制位,使用位段就可以节省30个比特位。

位段是站在节省空间的角度考虑的

2.2位段的内存分配

注意:

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。

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;
}

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。

三、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。

三原色,也可以一一列举。

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,也叫枚举常量 。

枚举常量的值默认从0开始,依次递增1

在声明枚举类型的时候也可以赋初值

3.2枚举的使用

enum Color
{
     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。

enum Color clr = 3;

这段代码是错误的,3是int类型,clr变量是Color类型 ,无法赋值成功。说明枚举是一种类型

3.3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

 四、联合(共用体)

4.1联合体的定义

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)。

例如:

union Un
{
  int i;
  char a;
};
int main()
{
  union Un un = { 0 };
  un.i = 0x11223344;
  un.a = 0x55;
  return 0;
}

4.2联合体的特点

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
{
  int i;
  char a;
};
int main()
{
  union Un un = { 0 };
  printf("%p\n", &un);
  printf("%p\n", &(un.i));
  printf("%p\n", &(un.a));
  return 0;
}

例:判断当前计算机的大小端存储

union 
{
  int i;
  char a;
}un;
int check()
{
  union
  {
    int i;
    char a;
  }un = { .i = 1 };
  return un.a;
}
int main()
{
  
  int ret = check();
  if (ret == 1)
  {
    printf("小端\n");
  }
  else
  {
    printf("大端\n");
  }
  return 0;
}

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。

本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获,同时也感谢各位读者的支持。文章有问题可以在评论区留言,博主一定认真认真修改,以后写出更好的文章。

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