第四章：C语言进阶之自定义类型：结构体、枚举、联合

C语言进阶

第一章：指针、数组与函数
第二章：回调函数
第三章：字符串函数与内存函数
第四章：结构体、枚举、联合
第五章：通讯录
第六章：动态内存管理
第七章：文件操作
第八章：程序环境与预处理

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前言

  C语言除了内置的数据类型（基本数据类型，指针，数组等），还可以自定义数据类型：结构体、枚举、联合。

一、结构体——struct

  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。

(1) 结构的声明

struct tag //struct 关键字 tag 结构体标签 struct tag 结构体类型
//tag 省略时必须有变量列表
{
    member-list;//成员列表
}variable-list;//全局变量列表（可选）

例如描述一个学生：

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

定义结构体变量：

struct Stu student1;//局部变量
struct Stu student2;//局部变量

(2) 结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

上面的struct Node类型大小不能确定

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

结构体成员变量有该结构体类型的指针变量，指向下个结构体变量，这样就可找到同类型的下一个结构体

//代码3
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？
//结构体重命名，要在重名后才能定义变量
//解决方案：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

(3) 结构体变量的定义和初始化

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
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
struct Node n3 = {.data = 20,.p = {5, 6},.next = NULL};//选的成员变量初始化

(4) 结构体内存对齐

让我们来看一下结构体的内存大小：

#include 
#include 

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

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

int main() {
	struct S1 s1;
	struct S2 s2;
	printf("%d\n", sizeof(s1));
	printf("%d\n", sizeof(s2));

}

结果如下：

12
8

现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。

offsetof

offsetof (type,member)

宏，用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

#include 
#include 

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

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

int main() {
	struct S1 s1;
	struct S2 s2;
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, c2));
	printf("%d\n", offsetof(struct S2, i));
}

结果如下：

0
4
8
0
1
4

结构体内存对齐规则

1. 结构体第一个成员在直接对齐到相对于结构体变量偏移量为0的地址处。
2. 从第二个结构体成员开始，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环境中不设对齐数，即对齐数是结构体成员自身大小
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。

改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，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;
    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

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

(6) 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char、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。

struct A
{	
	//4byte - 32bit
    int _a:2;//30
    int _b:5;//25
    int _c:10;//15
    
    //4byte - 32 bit
    int _d:30;//2
};

位段：其中的位其实是二进制位

1. 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。
2. 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。

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。

struct S
{
    char a:3;
    char b:4;
    char c:5;
    char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

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。

位段的应用

网络传输数据的类型

二、枚举——enum

枚举顾名思义就是一一列举。
把可能的取值一一列举。

(1) 枚举类型的定义

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。

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

(2) 枚举的使用

enum Color//颜色
{
    RED=1,
    GREEN=2,
    BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;
clr = 5;               

(3) 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：

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

三、联合（共用体）——union

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）。

(1) 联合类型的定义

//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));//4

(2) 联合的特点

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));
//一样
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);

(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。

union Un1
{
    char c[5];
    int i;
};
union Un2
{
    short c[7];
    int i;
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16

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总结

结构体、枚举、联合都有各自的作用。