自定义类型【c语言】

简介: 自定义类型【c语言】


结构体

1.1结构体类型的声明

1.1.1 结构的基础知识

定义:

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

我们以描述一个学生进行相应的举例:

struct Stu
{
 char name[20];//名字
 int age;     //年龄
 char sex[5]; //性别
 char id[20]; //学号
};

1.1.3 特殊的声明

struct 
{
 char name[20];//名字
 int age;     //年龄
 char sex[5]; //性别
 char id[20]; //学号
}; //匿名结构体

上面的这个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag),这个时候编译器便会出现警告,而上述这个结构体我们叫做匿名结构体。那么我们想要使用这个匿名结构体应该怎么办呢,我们可以通过以下的方式去进行相应的操作:

struct Stu
{
  char name[20];//名字
  int age;     //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}sb1;
int main()
{
  return 0;
}

这时我们创建了sb1,但是这种情况下我们只能使用一次。

大家在看如下的代码是否正确:

struct 
{
  char name[20];//名字
  int age;     //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}sb1;
struct 
{
  char name[20];//名字
  int age;     //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}*ps;
int main()
{
  ps = &sb1;
  return 0;
}

结果如下所示:

从上我们得出一条结论:

即使上述结构体的成员变量相同,但是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。

1.2结构的自引用

定义:结构体的自引用 ,就是在结构体内部,包含指向自身类型结构体的指针

错误方式:

struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};

这种声明是错误的,因为这种声明实际上是一个无限循环,成员next是一个结构体,next的内部还会有成员是结构体,依次下去,无线循环。在分配内存的时候,由于无限嵌套,也无法确定这个结构体的长度,所以这种方式是非法的。

正确方式如下(需要使用指针):

struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
};

而当我们使用typedef时,这种方式存在一定的争议,有的说不推荐这样使用,有的则持反对态度,我们简单的介绍一下:

错误示范:

typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;

这里的目的是使用typedef为结构体创建一个别名Node。但是这里是错误的,因为类型名的作用域是从语句的结尾开始,而在结构体内部是不能使用的,因为还没定义。

正确示范:

typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

1.3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,这里我们进行相应的介绍有以下两种方法:

第一种:

struct stu
{
  char name[20];//名字
  int age;     //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}sb1; //声明类型的同时定义变量p1

第二种:

struct stu sb2; //定义结构体变量p2

初始化情况也有以下几种:

第一种:

//初始化:定义变量的同时赋初值。
struct stu sb1 = {"张三","15","男","12456"}; //局部变量

第二种:

struct stu
{
  char name[20];//名字
  int age;     //年龄
  char sex[5]; //性别
  char id[20]; //学号
}sb1{"张三","15","男","12456"}; //全局变量

还有结构体嵌套初始化,跟这是一个道理的,在这里就不做展示了。

1.4结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。紧接着我们将深入讨论一个问题: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

我们通过以下例子来进行了解:

struct S1
{
  char c1;
  int i;
  char c2;
};
struct S2
{
  char c1;
  char c2;
  int i;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));
  printf("%d\n", sizeof(struct S2));
  return 0;
}

结果如下:

解答:

在这里我们为了方便看出结果,我们可以用到一个相关的函数来进行计算,这个函数叫做offsetof:

offsetof (type,member)

此具有函数形式的宏返回数据结构或联合类型类型中成员成员的偏移值(以字节为单位),如下图所示:

具体在内存中的分布如下图所示:

这里就涉及到了一个我们需要了解的内存对齐问题。

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
  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?

  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。

注意:

那在设计结构体的时候,我们让占用空间小的成员尽量集中在一起。

上面的s2我相信大家根据这个方法很容易就可以计算出答案。

1.5修改默认对齐数

相信大家都有这样的疑问,在vs下默认值为8,那么可以改变吗,结果当然是可以的。

#pragma pack(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()
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct S1));
  printf("%d\n", sizeof(struct S2));
  return 0;
}

结果如下:

结论:

结构在对齐方式不合适的时候,我么可以自己更改默认对齐数。

1.6 结构体传参

我们还是通过代码进行理解记忆:

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;
}

那么上述两种方案,哪种更值得采纳呢?

首选print2函数,原因如下:

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。

因此结构体传参的时候,要传结构体的地址。

位段

2.1 什么是位段

位段-其中的位其实是二进制位,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。

我们通过以下代码进行相应的理解:

struct A
{
  int _a : 2;
  int _b : 5;
  int _c : 10;
  int _d : 30;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct A));
  return 0;
}

结果如下:

解答:

在这里我们需要了解位段的分配原则,具体如下:

  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。

所以,开始时我们需要开辟四个字节的空间,但是代码内存的开辟中占用47个bit,所以我们还需要开辟4个字节的空间,所以综上所述我们需要开辟8个字节的空间,所以最后结果为8.

2.2 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,但是可以很好的节省空间,但是有跨平台的问题存在

2.3 位段的应用

网络中IP数据包的封装就可以表示:

枚举

枚举顾名思义就是一一列举,把可能的取值一一列举。

3.1 枚举类型的定义

我们已描述星期为准进行举例:

enum Day//星期
{
 Mon,
 Tues,
 Wed,
 Thur,
 Fri,
 Sat,
 Sun
};

以上定义的 enum Day 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

枚举的可能取值,每一个可能的取值是常量,不能修改

例如:

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

3.2 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. 防止了命名污染(封装)
  4. 便于调试
  5. 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

联合

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)

例如:

union Un
{
  char c;//1
  int i;//4
  double d;//8
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(union Un));
  printf("%d\n", sizeof(Un));
  return 0;
}

我们可以看到结果如下:

从上我们可以看出相应的定义,联合体共占一份空间。

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)

union Un
{
  char c;//1
  int i;//4
  double d;//8
};
int main()
{
  union Un un;
  printf("%p\n", &un);
  printf("%p\n", &(un.c));
  printf("%p\n", &(un.i));
  printf("%p\n", &(un.d));
  return 0;
}

我们可以得到结果如下:

我们可以发现我们所占的是同一地址,

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。

我们举个例子来进行了解:

union Un1
{
  char c[5];
  int i;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(union Un1));
  return 0;
}

结果如下:

解答:

对于char来说,在内存中占用1个字节,而int在内存中占用4个字节,因此最大对齐数为4,而char有5个元素,因此就要对齐到最大对齐数的整数倍,所以为8

到此,我们有关自定义类型的介绍便到此介绍了,大家多多练习,掌握这部分内容还是很容易的!

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