【C语言】自定义类型总结

✨作者：@平凡的人1

✨专栏：《C语言从0到1》

✨一句话：凡是过往，皆为序章

✨说明: 过去无可挽回， 未来可以改变

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结构体

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

结构的定义与声明

虽然前面我们学过了结构体，但是在这里我们还是要进行一下简单的回顾。

基本框架

struct tag
{
member-list;
}variable-list;

举个例子

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

在声明结构的时候，可以不完全的声明。 我们称之为匿名结构体类型

//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，也就是基本框架的（tag） 。

这里存在一个问题❓

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

答案是不合法的。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

结构体的自引用

结构中可以包含一个类型为该结构本身的成员

//代码1:错误的版本
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};

//代码2：正确的自引用版本
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};

//代码3
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//对于这样子定义的结构，还位命名成，就已经在使用了，这是错误的代码
//下面是正确的版本
//解决方案：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;

结构体变量的定义和初始化

通过上面的结构体的认识，结构体变量的定义和初始化对我们来说，是很简单的事情了：

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

//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};


struct Stu //类型声明
{
char name[15];//名字
int age; //年龄
};
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化

//当然，结构体也可以嵌套定义
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};//结构体嵌套初始化

结构体的内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小

你可能会说了：不是很简单吗❓直接把所有变量所占字节空间大小全都加起来就完事了。

不是这样的，对于结构体的大小存在着内存对齐问题，基于此，我们首先需要了解内存对齐的规则

• 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

• 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。

好了，下面我们基于vs2019来进行计算结构体的大小

#include 
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

答案是几？

为什么❓根据上面的对齐规则我们可以画个图理解一下：

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。即C1占一个字节在0地址处.int i占4个字节，而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 ，较小值为4.对应到4的地址，最后为c2占一个字节，对齐数为1.而0到8总共是9个字节，而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，此结构体最大对齐数为4，故结构体大小为12

好了。这是最基本的一种计算。我们再来一个练习，结构体嵌套计算大小：

#include 
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;
}

这里就不画图了，根据前面的对齐规则，我们可以先算出S3的大小为16，接下来，在计算S4，根据对齐规则我们可以很快的算出结果为32.我们可以进行测试运行：

知道了结构体内存对齐的计算之后，问题又来了：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。

比如：

#include 
//例如：
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

当然，对于默认对齐数我们也是可以进行修改的：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 
#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;
}

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

结构体传参

我们知道，结构体传参可以按值传参，也可以按址传参，我们可以来演示一下代码：

#include 
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;
}

输出的结果是一样的：

那究竟我们在传参的时候选择哪种方式比较好呢❓

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

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位段

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。

比如：

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
printf("%d\n", sizeof(struct A));

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 .

比如上面的例子：

#include 
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct A));
	return 0;
}

结果为：

这是因为刚开始开辟了4个字节，32个比特位，而上面超过了32个比特位，需要在开辟4个字节，总共为8个字节

#include 
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}
//空间是如何开辟的？

我们知道struct S的大小是3个字节：

下面，我们通过画图，来理解是如何分配内存的：我们先假设是从高到低存放的

a占3个比特位，而a要存10进去。10的二进制序列：1010，放不下，只能放3个位。b需要4个比特位，12的二进制序列是1100.刚好放得下。此时1个字节8个比特位剩下1个比特位，直接浪费。此时C需要5个比特位，要把3的二进制序列：00011放进去。而d需要4个比特位，前面剩下的字节放不下继续浪费掉，进入下一个字节，4的二进制序列：0100放进去

此时基于我们的假设应该是这样子的：

我们调试来看一下内存：

这说明了在VS上我们的假设是正确的

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

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

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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

枚举的定义

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，当然在定义的时候也可以赋初值。使其改变默认值
例如 :

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

那我们为什么要使用枚举类型❓

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。

防止了命名污染（封装）

便于调试

使用方便，一次可以定义多个常量

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联合(共用体)

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 
union Un 
{ 
	char c; 
    int i; 
};
union Un un;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(un));
}

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 a;
	char c;
};

int main()
{
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));

	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &(u.a));
	printf("%p\n", &(u.c));
	return 0;
}

大小端判断

第一种方法：

#include 
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;
}

第二种方法（采用联合来进行判断）：

#include 
int check_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
		if (ret == 1)
		{
			printf("小端\n");
		}
		else
		{
			printf("大端\n");
		}
		return 0;
}

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。

我们不妨来做个练习：

#include 
union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));
	return 0;
}

总结

以上是自定义类型的详解，通过上面的内容我们对自定义类型有了更加深入的了解，认识了结构体、位段、枚举、联合，以及一些相关内存大小的计算。

没事的话可以进行简单的复习回顾，同时，本次博客就先到这里结束了