【C语言】自定义类型(结构体+枚举+联合)

简介: 【C语言】自定义类型(结构体+枚举+联合)

一、结构体

1、结构体类型的声明

(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


(2)结构的声明

举例:

// 形容一名学生
struct Stu
{
    char name[20]; // 名字
    int age;       // 年龄
    char sex[5];   // 性别
    char id[20];   // 学号
};

🔺注意:结构体最后的分号不能丢!


(3)特殊的声明

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)。

在上面代码的基础上,下面的代码合法吗?
p = &x;

警告

在编译器看来,虽然成员是一模一样的,但是编译器仍然认为它们是两个完全不同的类型。 因为不相同,所以 *p 不能存变量 x 的地址。


2、结构的自引用

结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员,包含同类型的结构体指针(不是包含同类型的结构体变量)。

struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?如果可以,那 sizeof(struct Node) 是多少?

答:不行。

// 正确(子引用方式)代码:
struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
 
// 这样写是否可行? -- 不可行
 
// 解决方案:
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

原因:在结构体定义中使用了一个未定义的 Node 类型来声明 next 指针,这会导致编译错误。因为在结构体定义之前,编译器无法识别 Node 类型。

       在结构体定义中使用 struct Node 来指明 next 指针的类型,而不是直接使用 Node。这样编译器就能正确识别 Node 类型了。


3、结构体变量的定义和初始化

(1)结构体定义变量的种形式
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

(2)结构体初始化变量
// 接上续代码
struct Point p3 = {x, y}; // 初始化:定义变量的同时赋初值。
 
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};

4、结构体内存对齐

(1)如何计算?

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。
  3. 结构体总大小最大对齐数 (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

对齐数 = 编译器默认的一个对齐数该成员大小 较小值

  • VS 中默认的值为 8。Linux中没有默认对齐数概念!
⚪ 结构体嵌套问题

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。


(2)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空间来换取时间的做法。

在设计结构体的时候,既要满足对齐,又要节省空间,得如何做到呢?

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

struct S1
{
    char c1; //0(1~3)
    int i; //4~7
    char c2; //8(9~11)
};
 
struct S2
{
    char c1; //0
    char c2; //1(2~3)
    int i; //4~7
};

S1 S2 类型的成员一模一样,但是 S1 S2 所占空间的大小有了一些区别。


5、修改默认对齐数

#pragma 可以改变我们的默认对齐数。

#include <stdio.h>
 
// 默认对齐数是8
#pragma pack(2) // 把默认对齐数改为2
struct S
{
    char c1; //1
    int i; //4
    char c2; //1
 
#pragma pack() // 取消设置的默认对齐数,还原为默认
 
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S)); //12
    return 0;    
}

结论 :结构在对齐方式不合适的时候,可以自己更改默认对齐数。


offsetof

作用:该宏用于求结构体中一个成员在该结构体中的偏移量

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
 
struct S
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
 
int main()
{
    printf("%d\n", offsetof(struct S, c1)); //1
    printf("%d\n", offsetof(struct S, i)); //4
    printf("%d\n", offsetof(struct S, c2)); //1
 
    return 0;    
}

6、结构体传参

#include <stdio.h>
 
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;
}

print1(传结构体) 和 print2 (传地址)函数哪个更好?

首选 print2 (传地址)函数。原因在于:

  1. 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。
  2. 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 结构体传参时,要传结构体的地址。


7、结构体实现位段(位段的填充 & 可移植性)

(1)位段
a.什么是位段

位段,C 语言允许在一个结构体中以为单位来指定其成员所占内存长度,这种以位为单位的成员称为 “位段” 或称 “位域” ( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

位段声明结构是类似的,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:member_name : number
// A就是一个位段类型
struct A
{
    int _a:2;  // _a 成员占2个比特位
    int _b:5;  // _b 成员占5个比特位
    int _c:10; // _c 成员占10个比特位
    int _d:30; // _d 成员占30个比特位
}
 
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct A)); //8
 
    return 0;
}
// 四个成员占47个比特位,而8个字节是64个比特位

b.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。
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;
}
 
空间是如何开辟的?


c. 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,但是位段可以很好的节省空间,但缺陷是位段有跨平台的问题存在。


d.位段的应用


二、枚举

1、什么是枚举

在数学和计算机科学理论中,一个集的枚举是列出某些有穷序列集的所有成员的程序,或者是一种特定类型对象的计数。这两种类型经常(但不总是)重叠。

枚举是一个被命名的整型常数的集合,枚举在日常生活中很常见。例如表示星期的星期一、星期二、星期三... ...就是一个枚举。


2、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 这些可能取值都是有值的,默认从 0 开始,一次递增 1(可赋初值,上面赋值如果下面不赋,随上一个赋的值 +1 )  ,当然在定义的时候也可以赋初值

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

3、枚举的优点

可以使用 #define 定义常量,那选择枚举的原因是什么呢?
  1. 增加代码的可读性和可维护性。
  2. #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。

4、枚举的使用

enum Color 
{
    RED,
    YEELOW,
    BULE
};
 
int main()
{
    enum Color c = BULE; // 创建一个变量c,并将BULE赋给它
    c = YEELOW; // 这时将YEELOW赋给它,完全没有问题
    // 只能拿枚举常量给枚举变量赋值,才不会出现类型的差异
 
    BULE = 6; // error - 枚举常量是不能改变的
 
    return 0;
}

三、联合(共用体)

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),可以在相同的内存位置存储不同的数据类型

#include <stdio.h>
 
union Un
{
    char c; //1
    int i; //4
};
 
int main()
{
    union Un u;
    printf("%d\n", sizeof(u)); //4
 
    return 0;
}
#include <stdio.h>
 
union Un
{
    char c; //1
    int i; //4
};
 
int main()
{
    union Un u;
    printf("%p\n", &u);
    printf("%p\n", &(u.c));
    printf("%p\n", &(u.i));
 
    return 0;
}

为什么是 4 个字节呢?

他们的内存地址都是一样的。

结论:联合体的成员是共用同一块内存空间的,因为联合至少要有保存最大的那个成员的能力,所以一个联合变量的大小至少是最大成员的大小

注意:在同一时间内你只可以使用联合体中的一个成员


2、联合体大小的计算

  • 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
#include <stdio.h>
 
union Un
{
    char a[5]; //5 - 对齐数是1
    int i; //4 - 对齐数是4
};
 
int main()
{
    union Un u;
    printf("%d\n", sizeof(u)); //8 - 所以最后取了8个字节为该联合体的大小
 
    return 0;
}

3、判断大小端

#include <stdio.h>
 
int check_sys() 
{
    int a = 1;
    return *(char*)&a;
}
 
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if(ret == 1)
        printf("小端\n");
    else
        printf("大端\n");
    
    return 0;
}

通过联合体的方式来判断:

#include <stdio.h>
 
int check_sys() 
{
    union U {
        char c;
        int i;
    } u;
 
    u.i = 1;
    return u.c;
    // 返回1 - 小端
    // 返回0 - 大端
}
 
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if(ret == 1)
        printf("小端\n");
    else
        printf("大端\n");
    
    return 0;
}


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