自定义类型: 结构体, 枚举, 联合

本文将会带大家学习以上内容

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结构体

结构体就是一些值的集合,比如一本书,有书名,作者,出版社等信息,那这本书可以被看成一个结构体,结构体成员就是书名,作者,出版社这些信息,结构体就是成员变量的集合

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。

1.2 结构的声明

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

这里的struct是结构体关键字, tag是标签名,这两个在一起就是一个结构体类型 struct tag; variable-list是结构体变量

给大家举个例子: 我们想定义一个学生类型

//定义学生类型
struct Student
{
    char name[20];
    int age;
    float weight;
};

struct Student就是一个结构体类型,成员变量有name, age, weight这三个,结构体成员变量的类型可以是标量、数组、指针，甚至是其他结构体。

与上面那段代码不同的是,上一段代码在最后还有一个variable-list,其实这个就是声明一个结构体变量

( 全局变量 )

s1,s2,s3,s4,s5,s6都是结构体变量.但是前三个与后三个不同的地方在于,s1,s2,s3是全局变量,s4,s5,s6是局部变量

1.3 特殊的声明

声明结构的时候，可以不完全的声明。

//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;

当创建结构体的时候没有标签,则这个结构体被称为匿名结构体,但是匿名结构体有一个缺陷就是,只能在结构体后面创建变量( 全局变量 )如上面的x,a[20],*p, 其他地方创建不了,道理也很简单, 你都不知道这个结构体叫什么, 怎么能找到他呢, 如果想创建一个名字为p的结构体变量难道直接写成struct p;这样显然不对.

我们想把第一个匿名结构体的地址给第二个匿名结构体指针中,即使两个匿名结构体的成员变量一模一样,但是编译器会认为这时两个完全不相同的结构体.

1.4 结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢?

数据结构中有一种线性表叫链表,原理就是线性表中的每个结点是一个结构体,结构体中包含两个成员变量,一个是存放数据的变量data,一个是指向下一个结点的变量next,通过这种方式,将数据串联在一起

//代码1
struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

答案是不可以的,一个结构里中还有一个该结构体类型的成员,这样就无限循环下去了, 永远都找不到尽头

正确的写法应该是这样:

//代码2
struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
};

next是一个结构体指针,我们将下一个结构体的地址存放在next变量中,这样就能找到下一个结构体了

//代码2
struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
};

int main()
{
    struct Node s1;
    struct Node s2;
    s1.next = &s2;
}

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扩充知识: typedef

typedef用于结构体的重命名

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

前面说到了struct Node 是一个结构体类型, 使用了typedef之后, 将struct Node 重命名为S,所以现在S也是结构体类型了

这两种方式都可以创建结构体变量,当你觉得写struct Node 太长的时候,就可以使用typedef来重命名

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//代码3
typedef struct
{
  int data; 
  Node* next; 
}Node;
//这样写代码，可行否？

这样子也是不行的,使用typedef, 是在结束时候才会重命名, 在还没有重命名的时候就使用重命名之后的名字,这样就会出现先后顺序的问题

/解决方案：
typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

1.5 结构体变量的定义和初始化

结构体的定义有两种方式:

1.在声明的时候同时定义

2.直接定义( struct )

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

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使用{ }就可以给结构体进行初始化, 是不是和数组的初始化方式有点像呢.

如果我们想访问结构体成员就可以通过.来访问

这也很好理解,我们将100赋给s1结构体中的a,q赋给s1中的c, 通过.就能找到结构体中的某一个变量

s2中包含一个s1结构体,我们想访问s2结构体中的s1结构体中的成员变量c,就要先使用一个.找到s2的成员变量s(结构体变量) 在.就能找到s中的c

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1.6 结构体内存对齐

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。 这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

struct S1
{
    int a;
    char c;
};

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

struct S3
{
    char c1;
    int a;
    char c2;
    char c3;
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    printf("%d\n", sizeof(struct S3));
}

大家先想一想上面这段代码的运行结果是什么,求每个结构体大小是多少

最终的结果可能和你想得不太一样,你可能算的是5,6,7,计算方式是int占4个字节,char占1个字节,这样直接加到一起,但是最终结果是8,12,12,我们来研究一下到底是为什么

如何计算？ 首先得掌握结构体的对齐规则： 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。 VS中默认的值为8 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。

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给大家举个例子:

struct S1
{
    int a;
    char c;
};

偏移量就是相对于起始位置的距离,如果是上图中的3,就称该位置相较于起始位置的偏移量为3, 上图中的4位置,偏移量就是4,这很好理解

1.第一个成员放在结构体变量偏移量为0的地址处,第一个成员是int类型的,就放在0偏移处,小大为4个字节

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。 VS中默认的值为8

第二个变量是char类型的,char类型的大小是1个字节,对齐数为1,所以第二个变量只需要对齐到1的整数倍就可以了,所以第二个变量放在4的位置

结构体总大小为最大对齐数的整数倍,最大对齐数为4( int类型的对齐数 ), 所以总大小为4的倍数,也就是8,所以结构体变量只占了前五个字节,后面有三个字节浪费了

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如果我们将S1中两个变量的顺序互换一下,那么是什么样子的呢

struct S1
{
    char c;
    int a;
};

第一个变量c放在0偏移量处,第二个变量放在对齐数的整数倍处,int类型的对齐数为4,则应该放在4的倍数处,也就是4的位置,大小四个字节,所以a占了4,5,6,7这四个字节,结构体总大小为最大对齐数的整数倍,也就是4的倍数,从0 - 7一共8个字节,所以结构体的大小就是8

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我们在来看一下第二个

//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

大家可以算一下,这个占多大空间

c1放在偏移量为0处,c2放在对齐数的整数倍处,也就是1的整数倍,那就放在1的位置,i放在对齐数的整数倍处,也就是4的整数倍,最后的结果是4的倍数8个字节

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//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};

来看看这个的大小是多少

double大小为8,则占了前八个位置,c放在8的位置处,i的大小为4个字节,应该放在偏移量为4的整数倍处,也就是12开始,最大对齐数为8,最终的大小是8的整数倍,0-15一共16个字节,并且是8的整数倍,所以最终大小就是16

//练习4-结构体嵌套问题
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};

struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

最终的结果是32,这是为啥呢,来看看第四条规则

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。

s3的最大对齐数为8,所以s3从8偏移量处开始存放,s3的大小上面求过了,大小为16,注意s3结构体中存放的几个变量是怎么存放的,d的对齐数为8,就从8的整数倍开始存放,也就是从24开始,0-31一共32个字节,最大对齐数为8( 包含嵌套结构体中的对齐数 ),32就是8的整数倍,所以最终的大小为32

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为什么存在内存对齐? 大部分的参考资料都是如是说的： 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： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

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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。 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。

//例如：
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};

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

S1的大小为12个字节, S2的大小为8个字节,所以我们可以通过改变成员变量的顺序来减少占用空间, 让占用空间小的尽量集中在一起

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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 
#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;
}

偏移数为1相当于没有对齐,所有数都紧挨着放在一起,总大小就是所有成员变量大小之和

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。

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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： 1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ( 或者char )。 2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};
//A就是一个位段类型。
//那位段A的大小是多少？
printf("%d\n", sizeof(struct A));

位段的位指的是二进制位

冒号后面的数字指的就是bit位, int类型32个bit位, char类型8个bit位

比如a中存放的数字非常有限,只存0,1,2,3这几个数,那么给a2个bit位就足够存放这些数了,给32个bit位就显得有些浪费了,所以位段是一种更节省空间的做法

这里大小为8, 如果不使用位段,那么就是16个字节,可见位段能节约空间

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2.2 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。

如果上面那个例子,成员是int类型的,一次开辟4个字节,也就是32个bit位

a需要2个bit位,还剩30个bit位

b需要5个bit位,还剩25个bit位

c需要10个bit位,还剩10个bit位

现在问题来了,d需要30个bit位,现在不够了,我们应该再开辟4个字节,32个bit位,那么之前剩下的10个bit位要不要了呢,我们现在假设他之前的不要了,那么再开辟4个字节,这样就一共开辟了8个字节.

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为了验证上面我们的假设是不是对的,我们来看一个例子

//一个例子
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;
//空间是如何开辟的？

按照我们的假设,我们可以画一下图

a需要3个bit位,那么我们就先给a3个( 注意大小端,应该是从右向左 )

b需要4个,我们继续给他分配,现在不够放c了,我们重新开辟一块空间

重新开辟了8个bit位的大小,给了5个bit位给c,d需要4个字节,那么我们应该再开辟一个8个bit位

现在我们来放数据,将10放到a里面,10的二进制序列是1010,但是只能存3个,所以存放010这三个

将12放到b中,12的二进制序列位,1100,b中刚好能存放4个

以此类推,c和d中存放的应该是

我们假设的是:

1.假设分配到的内存中的bit位是从右向左使用

2.分配的内存剩余的bit位不够使用时,浪费掉

那到底对不对呢,我们先来计算一下,将2进制转换成16进制( 4个位转化成一个16进制数 )

所以在内存中存放的应该是62 03 04, 我们来调试一下,看看结果对不对

内存中存放的果然是62 03 04,和我们刚才分析的结果相同,所以我们的假设是正确的,一次开辟1个字节,从右向左使用,内存不够的情况下,浪费掉剩余的bit位

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2.3 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。

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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

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。

默认从0开始,你也可以在定义的时候赋值

从你赋值的那个枚举常量往后,依次递增1

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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： 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

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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，特征是这些成员共用同一块空间（所以联合也叫共用体）。 比如：

//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));

结果为4,原因是联合体的成员共用了同一块空间

这三个地址都是相同的,c大小为1个字节,i大小为4个字节,那么i和c共用了第一个字节的空间

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）。

所以当我们修改一个变量的时候,其他变量也会跟着修改

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我们可以使用联合体来判断大小端

我们将i改成1,如果是小端,那么就是01 00 00 00,这样存放,因为是联合体,所以c占的是第一个字节,那么c的值就是1了,如果是大端,00 00 00 01这样存放,那么c就变成了0,联合体共用同一块空间,同一时间只能使用一个成员

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4.3 联合大小的计算

1.联合的大小至少是最大成员的大小。 2.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));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));

Un1中c占5个字节,i占4个字节,一共是5个字节,但是要对齐到最大对齐数的整数倍,也就是4的整数倍,所以最终结果是8;

Un2中c占14个字节,i4个字节,一共14个字节,对齐到最大对齐数的整数倍,也就是4的倍数,最终联合体的大小就是16