C语言集锦 | 03 - C语言的复合数据类型（typedef关键字、结构体、枚举体、共用体）

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v1.0	2020-09-14	初稿完成

一、typedef关键词

typedef用来给数据类型起别名，用法如下：

typedef <已有数据类型> <新名称>;

比如：

typedef unsingned char uint8_t;
typedef unsingned int  uint16_t;

二、结构体（重点）

1. 为什么需要结构体

为了表示一些复杂的事物，普通数据类型无法满足要求。

2. 什么是结构体

把一些基本数据类型组合在一起而形成的一个新的数据类型，叫做结构体。

3. 如何定义结构体

定义结构体有四种方法：

① 只定义数据类型，不定义变量：

struct student_st {
     
	char name[20];	/* 学生名称 */
	char sex;		/* 学生性别 */
	float score;	/* 学生成绩 */
};

② 定义数据类型，同时定义一个变量：

struct student_st {
     
	char name[20];	/* 学生名称 */
	char sex;		/* 学生性别 */
	float score;	/* 学生成绩 */
} st1;

③ 定义数据类型，同时定义一个变量，但结构体类型匿名：

struct {
     
	char name[20];	/* 学生名称 */
	char sex;		/* 学生性别 */
	float score;	/* 学生成绩 */
} st1;

④ 定义数据类型，不定义变量，同时为新的类型起个别名（多用）：

typedef struct student_st {
     
	char name[20];	/* 学生名称 */
	char sex;		/* 学生性别 */
	float score;	/* 学生成绩 */
} student_t;

4. 如何使用结构体

4.1. 赋值和初始化

结构体变量只能在定义的同时赋初值：

student_t st1 = {
     "mculover666", 'M', 66.6};

一旦定义完成，将无法整体赋值，只能单个赋值。

4.2. 访问每个成员

访问结构体中的成员有两种方法：

• 通过结构体变量访问其中的成员；
• 通过指向结构体变量的指针访问其中的成员；

① 通过结构体变量访问：

printf("name:%s sex:%c score:%.1f\r\n", st1.name, st1.sex, st1.score);

② 通过指向结构体变量的指针访问：

student_t* st_ptr = &st1;
printf("name:%s sex:%c score:%.1f\r\n", st_ptr->name, st_ptr->sex, st_ptr->score);

4.3. 结构体变量的运算

结构体变量之间不能相加、相减、也不能相互乘除，但是结构体变量之间可以相互赋值。

student_t st1 = {
     "mculover666", 'M', 66.6};
student_t st2;
st2 = st1;
printf("name:%s sex:%c score:%.1f\r\n", st2.name, st2.sex, st2.score);

4.4. 结构体作为函数传递问题

如果要将结构体作为函数参数传递，两种方法如下：

• 直接传递结构体变量：栈的开销大，而且函数中无法做到对结构体的修改；
• 直接传递结构体指针：只是四个字节（或者8个字节）的指针，并且函数中可以对结构体修改。

5. 结构体内存对齐问题（面试常考）

5.1. 问题描述

执行如下代码：

printf("%d + %d + %d = %d", sizeof(st1.name), sizeof(st1.sex), sizeof(st1.score), sizeof(st1));

运行结果为：

20 + 1 + 4 = 28

很神奇，结构体不应该占用25个字节吗？为什么会是28个字节？

将st1每个成员的地址打印出来便知：

printf("st1:      %p\nst1.name: %p\nst1.sex:  %p\nst1.score:%p\n", &st1, &st1.name, &st1.sex, &st1.score);

打印结果为：

st1:      000000000061FDF0
st1.name: 000000000061FDF0
st1.sex:  000000000061FE04
st1.score:000000000061FE08

不难发现，sex变量是char类型，本来应该占用 1 个字节，实际却占用了 4 个字节！

5.2. 问题原因

编译器给结构体中的变量分配空间时有内存对齐规则：

① 结构体变量的起始地址能够被其最宽的成员大小整除；

② 结构体每个成员相对于起始地址的偏移，能够被其自身大小整除，如果不能，则在前一个成员后面补充空白字节；

③ 结构体总体大小能够被最宽的成员的大小整除，否则将在后面补充空白字节。

5.3. 问题分析

第2个成员sex是char类型，只占用一个字节，所以当后面的成员score定义时，其自身大小是4，结果发现000000000061FE04+1不能满足对齐规则，所以补充空白字节，使前面有20+4=24个字节才行，地址变为000000000061FE08。

如果我们手动补充上这些空白字节，则整个结构体大小还会是28个字节。

typedef struct student_st {
     
    char name[20];	/* 学生名称 */
    char sex;		/* 学生性别 */
    char reserve_bytes[3];  /* 保留字节 */
    float score;	/* 学生成绩 */
} student_t;

6. 结构体数组

6.1. 静态数组

student_t st[100];

6.2. 动态数组

#define STUDENT_NUM 100

/* 申请动态内存 */
student_t* st_ptr = (student_t *)malloc(STUDENT_NUM * sizeof(student_t));

/* 使用... */

/* 使用完毕之后释放 */
free(st_ptr);
st_ptr = NULL;

三、枚举体

1. 什么是枚举体

枚举体是将一个类型的变量所有可能的值都罗列出来，并且此类型变量不能赋其它值。

2. 如何定义枚举体

上述结构体中有一个成员是sex（性别），适合使用枚举体。

定义枚举体方法有二。

① 只定义枚举类型：

enum student_sex_en {
     
	MALE = 'M',
	FAMALE = 'F',
};

② 定义枚举类型的同时，起个新名字，方便使用：

typedef enum student_sex_en {
     
	MALE = 'M',
	FAMALE = 'F',
} student_sex_t;

3. 如何使用枚举体

首先优化之前我们定义的结构体：

typedef struct student_st {
     
    char name[20];	/* 学生名称 */
    student_sex_t sex;		/* 学生性别 */
    char reserve_bytes[3];  /* 保留字节 */
    float score;	/* 学生成绩 */
} student_t;

接着在给sex变量赋值的时候使用：

student_t st1 = {
     "mculover666", MALE, 66.6};

四. 共用体

1. 什么叫做共用体

共用体就是多个变量共用同一段内存空间，共用体的大小是最大变量占用的内存空间。

2. 为什么需要共用体

最典型的一个用法就是：结构体无差异化遍历。

比如现在有一个结构体：

typedef struct num_st {
     
    int a;
    int b;
    int c;
    int d;
} num_t;

使用情况如下：

• 赋值时要求能在一个循环中遍历赋值，忽略成员的名字不同，这就叫做无差异化遍历；
• 使用时要求能按照成员名字访问；

显然，第一个需求适合使用数组，第二个需求适合使用结构体，所以就使用共用体：让数组和结构体共用同一个内存空间。

3. 如何定义共用体

按照上述需求定义共用体，并起个新名字，这个共用体占用的空间为4个int的大小：

typedef union num_un {
     
    num_t num;
    int   n[4];
} num_u;

4. 如何使用共用体

在赋值时按照数组来用，直接循环遍历，满足第一个需求：

    num_u num1;

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
     
        num1.n[i] = i;
    }

在访问数据时按照结构体来用，按照名字取值，满足第二个需求：

printf("a = %d, b = %d, c = %d, d = %d\r\n", num1.num.a, num1.num.b, num1.num.c, num1.num.d);

最终运行结果为：

a = 0, b = 1, c = 2, d = 3