1. 结构体
1.1 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。
区分：
数组：一组相同类型元素的集合
1.2 结构的声明
举个例子：
1.3 特殊的声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。
struct { int a; char c; float f; }x; struct { int a; char c; float f; }* p; //上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。 int main() { //p = &x;//err return 0; }
注：
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 结构的自引用
以下写法是错误的：
typedef struct { int data; Node* next; }Node;
应该这样写：
typedef struct Node { int data; struct Node* next; }Node; int main() { Node n = { 0 }; return 0; }
1.5 结构体变量的定义和初始化
#include <stdio.h> struct SN { char c; int i; }sn1 = { 'q', 100 }, sn2 = { .i = 200, .c = 'w'};//全局变量 struct S { double d; struct SN sn; int arr[10]; }; int main() { struct SN sn3, sn4;//局部变量 printf("%c %d\n", sn2.c, sn2.i); struct S s = { 3.14, { 'a', 99 }, { 1, 2, 3 } }; printf("%lf %c %d\n", s.d, s.sn.c, s.sn.i); int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", s.arr[i]); } return 0; }
1.6 结构体内存对齐
结构体的对齐规则：
- 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
- 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
- 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。
- 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。
我们可以通过代码来观察：
#include <stdio.h> #include <stddef.h> struct S1 { char c1; int i; char c2; }; struct S2 { int i; char c1; char c2; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12 printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8 //可以计算结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量 printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));//0 printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));//4 printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));//8 return 0; }
再举个例子：
#include <stdio.h> 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));//16 printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32 return 0; }
如果结构体中有数组，我们将它看作一个一个的元素即可：
#include <stdio.h> #include <stddef.h> struct S { char c; int arr[4]; }; int main() { printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[0]));//4 printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[1]));//8 printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[2]));//12 printf("%d\n", offsetof(struct S, arr[3]));//16 printf("%d\n", sizeof(struct S));//20 return 0; }
为什么存在内存对齐?
- 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。- 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。
#include <stdio.h> struct S1 { char c1; int i; char c2; }; struct S2 { int i; char c1; char c2; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12 printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8 return 0; }
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。
1.7 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。
#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() { printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12 printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6 return 0; }
结论：
结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。
一道笔试题：
写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明
考察： offsetof 宏的实现
注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。
1.8 结构体传参
#include <stdio.h> struct S { int data[100]; int num; }; void print1(struct S tmp) { printf("%d\n", tmp.num); } void print2(const struct S* ps) { printf("%d\n", ps->num); } int main() { struct S s = { { 1, 2, 3 }, 100 }; print1(s); print2(&s); return 0; }
上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数。
原因：
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。
2. 位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。
2.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
- 位段的成员必须是 char、int、unsigned int 或 signed int 。
- 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
#include <stdio.h> //00 //01 //10 //11 //比如_a只有这四种取值，那么只需要两个比特位就可以解决，就不需要一个整型那么大的空间了 struct A { int _a : 2;//二进制位 int _b : 5; int _c : 10; int _d : 30; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(struct A));//8 return 0; }
2.2 位段的内存分配
- 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
- 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。
- 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。
我们来看一下在VS上位段的内存分配：
#include <stdio.h> 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; printf("%d\n", sizeof(s));//3 return 0; }
2.3 位段的跨平台问题
- int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
- 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。）
- 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。
- 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。
2.4 位段的应用
IP数据包的格式：
3. 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
这里就可以使用枚举了。
3.1 枚举类型的定义
#include <stdio.h> enum Color { RED, GREEN, BLUE }; int main() { printf("%d\n", RED);//0 printf("%d\n", GREEN);//1 printf("%d\n", BLUE);//2 return 0; }
{}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，依次递增1，当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
例如：
#include <stdio.h> enum Color { RED = 4, GREEN, BLUE }; int main() { printf("%d\n", RED);//4 printf("%d\n", GREEN);//5 printf("%d\n", BLUE);//6 return 0; }
#include <stdio.h> enum Color { RED, GREEN = 8, BLUE }; int main() { printf("%d\n", RED);//0 printf("%d\n", GREEN);//8 printf("%d\n", BLUE);//9 return 0; }
#include <stdio.h> enum Color { RED = 4, GREEN = 8, BLUE = 1 }; int main() { printf("%d\n", RED);//4 printf("%d\n", GREEN);//8 printf("%d\n", BLUE);//1 return 0; }
3.2 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：
- 增加代码的可读性和可维护性
- 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
- 便于调试
- 使用方便，一次可以定义多个常量
3.3 枚举的使用
enum Color { RED, GREEN, BLUE }; int main() { enum Color c = GREEN; return 0; }
4. 联合（共用体）
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）。
比如：
#include <stdio.h> union Un { char c; int i; }; int main() { printf("%d\n", sizeof(union Un));//4 union Un un = { 0 }; return 0; }
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）。
#include <stdio.h> union Un { char c; int i; }; int main() { union Un un = { 0 }; printf("%p\n", &un); printf("%p\n", &un.i); printf("%p\n", &un.c); //以上三个地址是一样的 un.i = 0x11223344; un.c = 0x55; return 0; }
有这样一道题目：
判断当前计算机的大小端存储
#include <stdio.h> union Un { int i; char c; }; int main() { union Un u = { 0 }; u.i = 1; if (1 == u.c) { printf("小端\n"); } else { printf("大端\n"); } return 0; }
#include <stdio.h> int check_sys() { union { int i; char c; }un = { .i = 1 }; return un.c; } int main() { int ret = check_sys(); if (1 == ret) { 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。
比如：
#include <stdio.h> union Un1 { char c[5];//1 8 1 5 int i;//4 8 4 }; union Un2 { short c[7];//2 8 2 14 int i;//4 8 4 }; int main() { printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8 printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16 return 0; }
