【C语言】一篇文章深入解析联合体和枚举且和结构体的区别

简介: 【C语言】一篇文章深入解析联合体和枚举且和结构体的区别

📝前言

联合体(union)是允许一个变量通过不同的接口访问内存的一种数据类型,表示一个变量可以存储不同类型的值,而枚举是使用enum关键字定义一组相关且互斥的整形常量集合。本章阿森将和你学习联合体类型的声明,特点,有关大小的计算,还有枚举类型的声明,优点和使用。文章干货满满!学习起来吧😃!

🌠 联合体类型的声明

同结构体一样,声明结构体类型需要使用struct关键字,联合体则用union关键字。

  1. 包含对象名的声明方式:
union 联合体名
{
  类型 成员1;
  类型 成员2;
  ... 
  类型 成员n;
}对象名;
  • 代码理解:
#include <stdio.h>

union S
{
  char c;
  int a;
}s1;

int main()
{
  s1.c = 'a';
  printf("%c\n", s1.c);

  s1.a = 10;
  printf("%d\n", s1.a);

  return 0;
}

代码运行:

  1. 不包含对象名的声明格式:
union 类型名 
{ 
  类型 成员1;
  类型 成员2;
  ... 
  类型 成员n;
};
  • 代码实现:
#include <stdio.h>

union S
{
  char c;
  int a;
};

int main()
{
  union S s2;

  s2.c = 'b';
  printf("%c\n", s2.c);

  s2.a = 20;
  printf("%d\n", s2.a);

  return 0;
}

运行:

🌉联合体的特点

  1. 编译器只为最⼤的成员分配⾜够的内存空间。联合体的特点是所有成员共⽤同⼀块内存空间。所以联合体也叫:共⽤体。

例如:

union u
{
  char c;
  int u;
};

int main()
{
  union u uu;
  printf("联合体uu的大小为%zd\n", sizeof(uu));
  printf("   (uu)地址为%p\n", &uu);
  printf("&(uu.c)地址为%p\n", &(uu.c));
  printf("&(uu.u)地址为%p\n", &(uu.u));

  return 0;
}

输出:

图解:

  1. 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)
//联合类型的声明
union u
{
  char c;
  int i;
};
int main()
{
  //联合变量的定义
  union u uu = { 0 };
  un.i = 0x11223344;
  un.c = 0x55;
  printf("%x\n", uu.i);
  return 0;
}

输出:

图解:

union定义了int和char两个成员,共享同一块内存空间,int类型占4个字节,低地址在前,高地址在后,char类型只占1个字节,存储在int的低地址字节。当执行:uu.i = 0x11223344时,此时int的4个字节分别存储如图,然后执行: uu.c = 0x55,由于VS是小端存储,低字节放在低地址处,char只占1个字节,它会覆盖int低地址的那个字节。所以int原来低地址字节0x44被覆盖为0x55。

🌠相同成员的结构体和联合体对⽐

结构体和联合体的主要区别在于:

  • 结构体中每个成员占用自己独立的内存空间,可以同时访问每个成员。
  • 联合体中所有成员共享同一块内存空间,只能同时访问其中一个成员。
  1. 内存布局:

结构体中每个成员都有固定的偏移地址,占用独立的内存空间。

联合体中所有成员共享同一块内存,没有偏移地址,只能使用一个成员。


2.访问成员:

结构体可以同时读取各个成员的值。

联合体只能访问当前使用的成员,其他成员的值将被覆盖。


3.大小:

结构体的大小是所有成员大小的和。

联合体的大小至少是最大成员的大小。

  • 结构体:
struct S
{
 char c;
 int i;
};
struct S s = {0};
  • 联合体:
union u
{
  char c;
  int i;
};
union u uu = { 0 };

图解对比:

结构体S占用char + int+有可能开辟浪费的空间大小的内存,可以独立访问ci,联合体u只占用int大小的内存,访问ci时值会覆盖,结构体各成员独立,联合体成员共享同一内存空间。

🌉联合体⼤⼩的计算

点击可以查看结构体的内存对齐规则——>【C语言】自定义类型:结构体深入解析(二)结构体内存对齐&&宏offsetof计算偏移量&&结构体传参

联合体大小计算规则:

  1. 联合的⼤⼩⾄少是最⼤成员的⼤⼩。
  2. 当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候,就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。
  • 来代码理解:
union Un1
{
    char c[5];
    int i;
};

union Un2
{
    short c[7];
    int i;
};

int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(union Un1));//8
    printf("%zd\n", sizeof(union Un2));//16

    return 0;
}

运行:

图解分析:

首先看union Un1如果联合体的大小是最大成员的最大成员的的大小,在联合体union Un1中,char[5]的大小理应是5,那计算的结果不是5。为什么是8呢?这是因为它完成了对齐的操作,如果是数组,是按元素类型大小来算他的对齐数的。char 元素的类型大小是1,VS默认对齐数是8,对齐数是8,i 的大小是4,VS默认对齐数是8,对齐数是4,接下来(4>1)整个联合体的对齐数是4,根据当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候,就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。此时最大成员大小是数组char [5]大小为5,5不是4的整数倍,8(4*2)是4的整数倍。是不是真的是这样呢?会不会是偶然呢?


接下来我们看第二组:union Un2首先short c[7]是数组,总大小为14,然后由于数组是按照元素的类型大小来算对齐数,类型为short类型大小为2,VS默认对齐数为8,对齐数为2(2<8),i的大小是4,VS默认对齐数是8,那么对齐数是4(4<8),然后整个联合体的对齐数是4(4>2),然后看成员最大对齐数的大小(short c[7]的大小是2*7=14)是不是整个联合体的对齐数(4)的整数倍,可见14不是4的整数倍, 根据第二条规则:当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候,就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍。因此还要多用2个字节,升到16(4*4)个字节才是整数倍。

联合体的对齐规则与结构体相似:

点击可以查看结构体的内存对齐规则——>【C语言】自定义类型:结构体深入解析(二)结构体内存对齐&&宏offsetof计算偏移量&&结构体传参

🌠联合体应用

使⽤联合体是可以节省空间的:

⽐如,我们要搞⼀个活动,要上线⼀个礼品兑换单,礼品兑换单中有三种商品:图书、杯⼦、衬衫。

每⼀种商品都有:库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息。

图书:书名、作者、⻚数

杯⼦:设计

衬衫:设计、可选颜⾊、可选尺⼨

结构体表示:

struct gift_list
{
 //公共属性
 int stock_number;//库存量
 double price; //定价
 int item_type;//商品类型
 
 //特殊属性
 char title[20];//书名
 char author[20];//作者
 int num_pages;//⻚数
 
 char design[30];//设计
 int colors;//颜⾊
 int sizes;//尺⼨
};

上述的结构其实设计的很简单,⽤起来也⽅便,但是结构的设计中包含了所有礼品的各种属性,这样使得结构体的⼤⼩就会偏⼤,⽐较浪费内存。因为对于礼品兑换单中的商品来说,只有部分属性信息是常⽤的。⽐如:商品是图书,就不需要design、colors、sizes。

所以我们就可以把公共属性单独写出来,剩余属于各种商品本⾝的属性使⽤联合体起来,这样就可以介绍所需的内存空间,⼀定程度上节省了内存。

联合体应用:

struct gift_list
{
 int stock_number;//库存量
 double price; //定价
 int item_type;//商品类型
 
 union{
 struct
 {
 char title[20];//书名
 char author[20];//作者
 int num_pages;//⻚数
 }book;
 struct
 {
 char design[30];//设计
 }mug;
 struct
 {
 char design[30];//设计
 int colors;//颜⾊
 int sizes;//尺⼨
 }shirt;
 }item;
};

练习:写⼀个程序,判断当前机器是⼤端?还是⼩端?

  1. 第一种方法:
int check_sys()
{
  int n = 1;//01 00 00 00     00 00 00 01
  return *(char*)&n;
}

int main()
{
  int ret = check_sys();
  if (ret == 1)
    printf("小端\n");
  else
    printf("大端\n");
  return 0;
}

VS运行:

  1. 第二种联合体巧妙方法:
int check_sys()
{
  union
  {
    char c;
    int i;
  }u;
  u.i = 1;
  return u.c;//返回1是⼩端,返回0是⼤端
}

VS运行:

小端

图解:

大端存储:是指数据的低位字节内容保存在内存的高地址处,而数据的高位位字节内容,保存在内存的低地址处。

小端存储:是指数据的低位字节内容保存在内存的低地址处,而数据的高位字节内容,保存在内存的高地址处。


如果01是低位字节存储到低地址c时,是小端存储,如果01低位字节存储到高地址处,没有存储到c的位置,那么c的位置存储着00,返回为0,是大端存储。

🌉枚举类型的声明

枚举类型(enum)是一种特殊的类型,它可以为一组相关的常量值赋予用户定义的名称。

—>简单来说:枚举顾名思义就是⼀⼀列举。

枚举类型的声明语法:

enum 标识符 
{
   枚举常量1, 
   枚举常量2,
   ...
} 变量;
  1. enum 关键字声明这是一个枚举类型。
  2. 标识符是枚举类型的名称。
  3. 在大括号{}内列出枚举类型的多个枚举常量,用逗号分隔。
  4. 变量是枚举类型的变量,可以直接使用枚举类型名或枚举常量初始化。

例如:

enum Color //Color是枚举类型名
{
  RED,     // 枚举常量  
  GREEN,
  BLUE
} color;///color是Color类型的变量

int main()
{
  printf("%d\n", RED);
  printf("%d\n", GREEN);
  printf("%d\n", BLUE);
  return 0;
}

输出:

  • 枚举常量默认从0开始依次累加1。也可以手动为枚举常量赋值:

例如:

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

运行结果:

  • 当然第一个元素未被赋值,给其它的常量赋值,该常量前面的值是默认值(0,1,2)后面递增1。

例如:

enum Color
{
  RED,
  white,
  GREEN = 8,
  BLUE ,
  BLACK,
};

int main()
{
  printf("%d\n", RED);
  printf("%d\n", white);
  printf("%d\n", GREEN);
  printf("%d\n", BLUE);
  printf("%d\n", BLACK);

  return 0;
}

输出:

🌠枚举类型的优点

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
    如:之前的扫雷中可以这样定义用PLAY代替1EXIT代替0,更具有个性化:
#include <stdio.h> 
#include <string.h>

// 定义游戏选择枚举类型
enum Game_Selection
{
    EXIT, // 退出游戏
    PLAY  // 开始游戏
};

// 打印菜单
void menu()
{
    printf("********** Menu **********\n");
    printf("PLAY - Start the game\n");
    printf("EXIT - Exit the game\n");
    printf("********** Menu **********\n");
}

int main()
{
    enum Game_Selection input; // 声明游戏选择变量
    char choice[10]; // 声明选择输入缓冲区

    do
    {
        menu(); // 调用菜单函数

        printf("Please enter your choice: ");
        scanf("%s", choice); // 读取选择输入
        getchar(); // 清除输入缓冲区

        if (strcmp(choice, "PLAY") == 0)
        {
            input = PLAY; // 设置选择为开始游戏
        }
        else if (strcmp(choice, "EXIT") == 0)
        {
            input = EXIT; // 设置选择为退出游戏
        }
        else
        {
            printf("输入错误,请重新输入\n");
            continue; // 输入错误,继续循环
        }

        switch (input)
        {
        case PLAY:
            printf("扫雷游戏启动!\n");
            break;
        case EXIT:
            printf("不玩了,启动不了!\n");
            break;
        }

    } while (input != EXIT);

    return 0;
}

代码运行:

  1. #define定义的标识符⽐较枚举有类型检查,更加严谨。
  2. 便于调试,预处理阶段会删除 #define 定义的符号
  3. 使⽤⽅便,⼀次可以定义多个常量

5.枚举常量是遵循作⽤域规则的,枚举声明在函数内,只能在函数内使⽤

🌉 枚举类型的使⽤

那是否可以拿整数给枚举变量赋值呢?在C语⾔中是可以的,但是在C++是不⾏的,C++的类型检查⽐较严格。


  • 在C语言中,枚举类型实际上就是整数类型,编译器会把枚举常量替换成对应的整数值。所以可以用整数直接给枚举变量赋值。
  • 而在C++中,枚举类型是完全独立的类型。编译器会检查类型是否匹配,不允许用整数直接给枚举变量赋值。

例如:

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//C语言
enum Color//颜⾊
{
  RED = 1,
  GREEN = 2,
  BLUE = 4
};
int main()
{
  enum Color c;
  c = 1; // 可以直接赋值整数
  return 0;
}

输出:

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

Color c;
c = 1; // 错误,类型不匹配

输出:

总结:

C语言中枚举类型实际上就是整数,允许用整数直接赋值

C++中枚举类型是独立类型,不允许用整数直接赋值,需要强制类型转换


🚩总结

这次阿森和你一起学习联合体类型的声明,特点,然后进行相同成员的结构体和联合体对⽐,⼤⼩的计算,联合体应用,枚举类型的声明,优点和扫雷改造使⽤方法,阿森将下一节和你一起学习动态内存管理🚀 。


感谢你的收看,如果文章有错误,可以指出,我不胜感激,让我们一起学习交流,如果文章可以给你一个小小帮助,可以给博主点一个小小的赞😘

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