C语言进阶—自定义类型：结构体，枚举，联合

1.结构体

1.结构体类型的声明

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。

结构的声明，例如描述一个学生：名字，年龄，性别，学号等

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

注意：

struct Student

{

   char name[20];

   int age;

   char sex[5];

   float score;

} s1, s2, s3;//s1, s2, s3 是三个结构体变量 - 全局变量

但是

int main()

{

   struct Student s4, s5, s6;//s4, s5, s6 是三个结构体变量 - 局部变量

   return 0;

}

特殊的声明 ，在声明结构的时候，可以不完全的声明，称为匿名结构体；例如：下面的两个结构2在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

//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;

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

正确自引用方式：

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

特殊写法

typedef struct Node
{
  int data;//存放数据-数据域
  struct Node* n;//存放下一个节点的地址-指针域
}Node;

3.结构体变量的定义和初始化

如下代码定义结构体初始化

struct Point
{
  int x;
  int y;
}p1 = {1,2};//声明类型的同时定义变量p1
 
struct Point p3 = {4,5};//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;
};
 
struct Node
{
  int data;
  struct Point p;
  struct Node* next;
};
 
int main()
{
  int a = 10;
  int b = 20;
  struct Point p2 = {a, b};
  struct Stu s = { "zhangsan", 20 };
  struct Stu s2 = { .age=18, .name="如花"};
  printf("%s %d\n", s.name, s.age);
  printf("%s %d\n", s2.name, s2.age);
  struct Node n = { 100, {20, 21}, NULL };//嵌套初始化
  printf("%d x=%d y=%d\n", n.data, n.p.x, n.p.y);
  return 0;
}

4.结构体内存对齐

思考

为什么结构体，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呢？

计算结构体的大小

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

 Linux 境中gcci个编译器是没有默认对齐数的

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，最大对齐数即为该结构体中各个对齐数相比较的最大值)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

struct S3
{
  double d;
  char c;
  int i;
};
 
struct S4
{
  char c1;
  struct S3 s3;
  double d;
};
 
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(struct S3));
  printf("%d\n", sizeof(struct S4));
 
  return 0;
}

内存对齐分析

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呢？

例如：

struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};

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

那么我们就要     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。

例如：

#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;
}

5.结构体传参

有传值调用和传址调用两种，

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。

结论： 结构体传参的时候，要传结构体的地址。

代码示例如下：

struct S
{
  int data[1000];
  int num;
};
 
void print1(struct S t)
{
  printf("%d %d %d %d\n", t.data[0], t.data[1], t.data[2], t.num);
}
 
void print2(const struct S * ps)
{
  printf("%d %d %d %d\n", ps->data[0], ps->data[1], ps->data[2], ps->num);
}
 
int main() 
{
  struct S s = { {1,2,3}, 100 };
  print1(s);//传值调用
  print2(&s);//传址调用
 
  return 0;
}

6.结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

位段的出现是为了节省空间

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,数字表示开辟的空间为几个Bit位

比如：

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};

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。

为什么为三个字节呢？

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16bit位，32位机器最大4个字节即为32bit位，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

位段的应用

2.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。

月份有12个月，也可以一一列举

1.枚举类型的定义—enum

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，当然在定义的时候也可以赋初值

但是它的值是固定的不能更改的

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. 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.枚举的使用

只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。

不能    clr = 5;

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。

3.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）。

//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));

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
{
int i;
char c;
};
union Un un;
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%d\n", &(un.i));
printf("%d\n", &(un.c));
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);

例如：判断当前计算机的大小端存储

int check_sys()
{
  union
  {
    char c;
    int i;
  }u;
 
  u.i = 1;
  return u.c;//返回1表示小端，返回0表示大端
}
 
int main()
{
  int ret = check_sys();
  if (ret == 1)
    printf("小端\n");
  else
    printf("大端\n");
 
  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：

联合体什么时候使用?

某些成员不会在同一时间使用

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