C语言进阶：自定义类型

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前言

本章来剖析C语言自定义的数据类型：结构体、枚举、位段、联合体（共用体）。自定义数据类型就是用户可以随时在程序中自行定义新的数据类型。

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一、结构体

我们知道数组允许存储相同数据类型的变量，当我们想要存储不同数据类型的变量时，我们就要用到结构，结构是C编程中一种自定义的数据类型。
前面我们已经学习过结构体入门篇，在此简略复习，若有需要，猛戳【C语言入门必看】结构体

1.结构的基础知识

结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

2.结构体的声明

应用： 描述一个复杂对象，比如一个学生（有姓名，年龄，性别，学号）

struct Stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[10];//性别
	char id[30];//学号
}s1, s2;
struct Stu s3;//s1,s2,s3是结构体全局变量
int main()
{
	struct Stu s4;
	struct Stu s5;
	struct Stu s6;//s4,s5,s6是结构体局部变量
	return 0;
}

分析： s1~s6都是结构体变量，以在main的外面或里面来区分全局还是局部。

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3.匿名结构体

所谓匿名，可以理解为无名，即没有标签名的结构体。

匿名结构体的声明：

struct
{
	char a;
	int b;
	float c;
}s; //匿名结构体变量s
struct
{
	char a;
	int b;
	float c;
}*ps;//匿名结构体指针*ps
int main()
{
	ps = &s;
	return 0;
}

用匿名结构体的方式创建了结构体变量s和结构体指针ps，而且仔细发现：他们的成员变量是相同的。
所以当执行ps = &s;，这是合情合理的吗？我们运行上面代码发现：

这并非合理
解释： 编译器认为，虽然你俩的成员变量相同，但名字我都不晓得，为了安全起见，所以不能让你俩搁这赋值，即认为两者是不同的类型。最终发出警告：两者的类型不兼容
注意事项：匿名结构体没有tag标签名，因此无法构成结构体类型，所以匿名结构体只能用一次（你没名字，我上哪找你去？）

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4.结构体的自引用

结构体包含一个由该结构体类型创建的结构体变量，是否可以？

struct N
{
	char a;
	struct N n;
};

分析： 假设该做法是可行的，当struct N结构体类型创建一个结构体变量a，那该如何计算结构体变量a的大小呢？因为a变量有struct N n;//结构体变量n，而结构体变量n中又有struct N n;//结构体变量n，这不就相当于山里有座庙，庙里有个老和尚…的故事吗？搁这套娃呢！

运行结果：
编译器会报错

事实上，结构体N还没定义完，因为编译器并不知道结构体N需要多少空间存储。
正确的结构体自引用是这样的：

struct N
{
	char a;
	struct N* n;
};

分析： 结构体N中定义了一个指针，该指针指向一个结构体N类型。
为什么可以这样做呢？在指针篇我们知道，无论是哪一种类型的指针，指针的大小是固定的（32位平台为4字节，64位平台为8字节），因此编译器在编译的时候就知道结构体指针n的大小并为其分配空间。

为了更加清晰地理解，在此进行拓展（数据结构的单链表知识）：
当我们想要存储 1 2 3 4 ，我们可以用数组（在数据结构中称为顺序表），另外一种方法就是单链表。

单链表十分巧妙地利用了结构体自引用，具体代码：

struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;//next指针 指向下一个节点
};

注意事项：
①匿名结构体不能自引用

typedef struct
{
	char a;
	N* n;
}N;

运行结果：

解释： 定义指针n时，结构体名N还未可见，编译器会报错"N"未定义。
解决方法： 加上标签名

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拓展（可跳过）：结构体的互引用

结构体的互引用：一个结构体A中包含一个或多个与结构体B相关的成员, 且结构体B中也包含一个或多个与结构体A相关的成员。
先看一个结构体互引用的错误用法❌：

struct A
{
	int a;
	struct B* b;
};
struct B
{
	int b;
	struct A* a;
};

为啥错呢？有了上面的经验，我们可以分析，在定义结构体A的成员b时，由于结构体B还未可见，故编译器会会报数据类型B未定义。
解决方法是使用不完整声明：

struct B;//不完整声明：使结构体B可见，但先不告知B的具体定义
struct A
{
	int a;
	struct B* b;
};
struct B
{
	int b;
	struct A* a;
};

再看互引用的另一个错误用法❌：

struct B;//不完整声明：使结构体B可见，但先不告知B的具体定义
struct A
{
    int a;
    struct B b;
};
struct B
{
    int b;
    struct A a;
};

该错误和自引用中的套娃类似，结构体A和结构体B都是直接包含了对方，他俩搁这搁这搁这…永无止境
所以使用互引用要注意❕：至少有一个结构体必须在另一个结构体中以指针的形式被引用。

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5.结构体变量的定义和初始化

创建局部/全局结构体变量并初始化：

struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}s1;//①声明类型的同时定义变量s1
struct Stu s2;//定义全局变量s2
struct Stu s3 = { "李四",20,"女","20200360317" };//定义全局变量s3并初始化
int main()
{
	struct Stu s4;//③定义局部变量s4
	struct Stu s5 = { "张三",17,"男","20200360318" };//④定义结构体变量s5的同时可初始化
	return 0;
}

结构体（嵌套有结构体）的初始化和成员访问：

struct Writer
{
	char name[20];
	int age;
};
struct Book
{
	char name[20];
	int price;
	char id[20];
	struct Writer w;//结构体内嵌结构体
};
int main()
{
	struct Book b = { "法外狂徒", 1000, "007", { "张三", 69 } };	//初始化

	//访问成员
	//1.使用.
	printf("%s %d %s %s %d\n", b.name, b.price, b.id, b.w.name, b.w.age);
	//2.使用->
	struct Book* pb = &b;//定义一个结构体类型的指针指向b的地址 
	printf("%s %d %s %s %d\n", pb->name, pb->price, pb->id, pb->w.name, pb->w.age);

	return 0;
}

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6.结构体内存对齐

到此，我们已掌握了结构体的基本使用。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小，这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐

举个例子：

struct S
{
	char a;
	int b;
};
int main()
{
	struct S s1 = { 0 };
	printf("%d", sizeof(s1));
	return 0;
}

有些同学眼睛都不睁开，大喊这简单，我会，答案1+4=5

运行结果发现正确答案是8：

说明结构体大小并不是各成员数据类型字节之和。
结构体大小的计算有着自己的一套规则，那就是结构体对齐规则：
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 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值，即min(默认对齐数，该成员大小)。
• VS中默认对齐数为8，Linux没有默认对齐数

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）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。

我们举例子来学习：
1️⃣

2️⃣

3️⃣

4️⃣

❓ 为什么会存在内存对齐？
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：结构体的内存对齐就是拿空间换取时间的做法

❓ 在设计结构体时，如何做到既满足对齐又能节省空间呢？
让空间小的成员尽量集中在一起。

struct S1        //12
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2        //8
{
	char c1;
	char c2;
	int i;            
};

虽然S1和S2类型的成员一模一样，但是通过让空间小的成员尽量计中在一起，使所占空间的大小有了一些区别。

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7.修改默认对齐数

#pragma 预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。

#include 
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
	char c1;//1
	//0
	int i;//4
	//4~7
	char c2;//1
	//8
	//0~8等于9,4*2<9  //4*3=12满足
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

#pragma pack(2)//设置默认对齐数为2
struct S2
{
	char c1;//1
	//0
	int i;//4
	//2~5
	char c2;//1
	//6
	//0~6等于7,4*2=8>7满足
};
#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));//12
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
	return 0;
}

运行结果：

结论： 结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。
要求： 另外对结构体对齐部分，我们应该熟练到不用画图，直接计算出结构体大小的程度。

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8.offsetof宏

头文件：

size_t offsetof(structName, memberName);

structName：结构体类型
memberName：结构体类型的成员指示器
作用：会生成一个类型为 size_t 的整型常量，它是一个结构成员相对于结构开头的字节偏移量。

#include 
#include 
struct S
{
    char c1; //1
    //0
    int i;//4
    //4~7
    char c2;//1
    //8
};
int main()
{
    printf("%d\n", offsetof(struct S, c1));//0
    printf("%d\n", offsetof(struct S, i));//4
    printf("%d\n", offsetof(struct S, c2));//8
    return 0;    
}

运行结果：

百度笔试题： 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。
（注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。关注我不迷路~）

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9.结构体传参

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
//结构体值传参
void print1(struct S s)
{
	printf("%d\n", s.num);
}
//结构体址传参
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;
}

上面的 print1（传结构体） 和 print2（传址） 函数哪个好些？
答案： 首选print2（传址）函数。
解析：
从时空角度分析：
结构体传值：若该结构体足够大，传值时会拷贝一份一样大的结构体，这时会造成空间和时间上的浪费
结构体传址：无论该结构体多大，传址时用应该结构体指针接收即可。我们知道指针大小是固定的，大小为4/8字节（32位平台为4，64位为8）。

从功能角度分析(这是相对的)：
结构体传值：若我们希望对结构体的内容做修改，则传值就有一定的局限性。
结构体传址：我们可通过结构体地址找到该结构体并对其修改；若不希望修改其内容，我们可以加上const修饰
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

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10.结构体实现位域（位段）

若程序的结构中包含多个开关量，只有TRUE/FALSE变量，如下：

struct switch
{
	unsigned int a;
	unsigned int b;
}status;

这种结构需要 8 字节的内存空间，但在实际上，存放一个开关量时，只有 0 和1 两种状态，我们只需存储 0 或 1，用一个二进制（比特位）即可。为了节省存储空间，并使处理简便，C语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。

10.1位域的说明

所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域， 并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

10.2位域的定义

位域的定义和结构体是类似的，但有两个不同点：

① 位段的成员只能是： int、unsigned int、signed int
② 位段的成员名后面有一个冒号和一个数字：位域名：位域长度

struct A
{
    int _a:2;
    int _b:5;
    int _c:10;
    int _d:30;
}data;
// A就是一个位段类型
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(data));
    return 0;
}

说明： 位域_a占2位，位域_b占5位，位域_c占10位，位域_d占30位，总共47个比特位。
当我们运行后发现结果是8：

结构体变量data的四个成员占47位，而data的大小是8个字节（64个比特位），为什么会这样呢？这就得深入探究位域的内存分配了。

10.3位域的内存分配

注意事项：
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。

❓ 空间是如何开辟的？

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;
}

解释说明：
在VS编译器中开辟了空间以后，先使用低地址再使用高地址。并且剩余的比特位不够下一个变量存储时，那这一片空间将会被浪费。

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。比如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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

⚡位域的应用：

解释说明：
上图是网络上IP数据包的格式，当你想要在网络上发一条消息给你的好友，信息是需要进行分装的，消息作为数据只是传输的一部分，还有一部分传输的是分装中的其他信息。比如4位版本号，4位首部长度，这些信息只需要4个bit，如若不使用位段，直接每个部分一个整形的给空间，就会造成空间的大量浪费。

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二、枚举

枚举顾名思义就是一一列举，把可能的取值一一列举。
比如性别有男、女和保密，可以一一列举；葫芦娃有7个，可以一一列举。

1.枚举的定义

枚举的定义：

举例：

enum Day //星期
{
	Mon,Tues,Wed,Thur,Fri,Sat,Sun
	//横着放也可以
};

enum Day是枚举类型，{ }里的内容是枚举类型的可能取值，即枚举常量。
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。 例如：

enum Color //颜色
{
    // 枚举常量
    RED = 1, // 赋初值
    GREEN = 2,
    BLUE = 4
};

2.枚举的优点

❓ 我们可以用 #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

#include <stdio.h>
enum Color //颜色
{
    RED = 1,
    GREEN = 2,
    BLUE = 4
};
int main()
{
   enum Color c = GREEN;
   c = 5;
   printf("%d\n", c);//5
   return 0;
}

注意事项：
①默认从0开始，依次递增1（若对一个枚举常量赋初值，其后的枚举常量默认依次+1（当不对其赋值））
②枚举常量不能改变（在类型创建时的{}内可改变，出了{}不能改变），但由枚举类型创建出来的变量是可以改变的（细品）

enum Color //颜色
{   //①
    RED,//0
    GREEN = 2,
    BLUE//3
};
int main()
{   //②
    enum Color c = RED;
    c = 2;//2是整型，整型赋值给枚举类型（类型不匹配），在.c文件下不会报错，在.cpp文件下则会报错
    c = BLUE;//✅枚举类型创建的变量可以改变
    //BLUE = 4;❌  //枚举常量不能改变
}

对比下图左右两份代码，哪一份更好？

左边： 如果不查看menu，根本不知道case后的01234代表什么
右边： 使用了枚举，提高了代码的可读性，当看到EXIT就知道是退出程序…

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三、联合体（共用体）

1.联合体简介

联合体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（所以联合体也叫共用体）。

2.联合体的声明和定义

具体代码：

#include <stdio.h>
union Un
{
    char c;//1
    int i;//4
};
int main()
{
    union Un u;//创建一个联合体变量
    printf("%d\n", sizeof(u));//4
    return 0;
}

运行结果是4：

❓ 为什么是4个字节呢？我们来深入探究下：

#include 
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;
}

运行结果：

解析：

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。

3.联合体的初始化

代码演示：

#include 
union Un
{
    char c;//1
    int i;//4
};
int main()
{
    union Un u = {10};
    return 0;
}

调试中的监视：

发现c和i的值都是10，说明c和i是公用同一块内存空间的。

所以我们可以猜想：当给联合体变量 u 中的 i 赋予一个值，再给 c 赋予一个值，i 会发生改变。我们可以验证：

i 的值果然被改变了。因为给 i 赋值为1000，会在公用的4字节空间，存入1000的二进制数；当再给 c 赋值为100，会将 c 那1字节的空间，存入100的二进制数，从而改变了 i 。
结论： 在同一时间内你只可以使用联合体中的一个成员。

4.联合体大小的计算

代码：

#include 
union Un
{
    char a[5];//5
    int i;//4
};
int main()
{
    union Un u;
    printf("%d\n", sizeof(u));
    return 0;
}

运行结果：

按照上面的分析应该是5呀，为什么是8呢？

其实联合体也是存在对齐的，现在我们深入探究联合体的大小规则：
联合体大小的计算：

① 联合的大小至少是最大成员的大小，但不一定是最大成员的大小。
② 当联合体的大小不是最大对齐数的整数倍时，就要对齐到最大对齐数的整数倍。（或者说是联合体大小要是所有成员变量类型大小（类型最大值）的整数倍。）

因此：

5.联合体应用

一道面试题：
判断当前机器大小端

大小端仙人指路：C语言进阶系列之数据存储
之前的方法： 将int*的地址强转为char*，达到访问一个字节的目的。

#include
int check_sys()
{
	int a = 1;          //0x00 00 00 01
	return (*(char*)&a);//返回0,大端;返回1,小端
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if(0 == ret)
		printf("大端\n");
	else if(1 == ret)
		printf("小端\n");
	return 0;
}

现在，我们通过联合体的方式判断（利用了联合体特点）：

#include 
int check_sys()
{
    union U
    {
        char c;
        int i;
    } u;

    u.i = 1;
    return u.c;// 返回1,就是小端;返回0,就是大端
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (0 == ret)
        printf("大端\n");
    else if(1 == ret)
        printf("小端\n");
    return 0;
}

运行结果：

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写文和制图不易，恳请各位铁汁们点赞收藏评论加关注，你们的支持是我坚持的动力~

……未完待续

✒️ 笔者：陈汉新

更新： 2022.3.28

❌ 勘误： 暂无

声明：由于作者水平有限，本文错误之处在所难免，敬请读者指正！