C语言自定义类型 — 结构体、位段、枚举、联合

前言

本期主要对通讯录三篇博客文章进行补充
通讯录文章：通讯录系列文章
对结构体进行详细介绍，其次讲解位段、枚举、联合体

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一、结构体

1.什么是结构体

在C语言中，结构是一种用户自定义的数据类型，它可以由不同类型的数据成员组成，每个数据成员可以是不同的数据类型。

结构的作用是将多个不同类型的数据聚合在一起，以便于进行组织和管理。可以通过结构来表示复杂数据类型，如二维数组、链表等。同时，结构也是C语言中函数间传递复杂数据结构的一种方式。

2.结构声明

2.1 声明格式

结构在C语言中使用struct关键字声明，声明的格式为：

struct 结构名{
    数据类型 成员名1;
    数据类型 成员名2;
    ……
    数据类型 成员名n;
};

其中struct是关键字，可以省略结构名。数据类型可以是C语言支持的任何数据类型，如整型、浮点型、字符型、指针等。成员名是结构成员的名称。

2.2 如何声明（代码演示）

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

3.特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

3.1 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。

4.结构自引用

在结构中包含一个类型是否可以为该结构本身的成员

4.1 自引用类型1

正确的自引用方式：

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

错误的自引用方式：

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

4.2 自引用类型2

正确的自引用方式：

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

错误的自引用方式：

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

5.结构体变量的定义和初始化

5.1 结构体变量的定义

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

5.2 结构体变量的初始化

//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

6.结构体内存对齐（计算结构体的大小）[重点]

这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

6.1 如何计算结构体

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 Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
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。

6.2 为什么存在内存对齐

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

结论： 结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

6.3 如何满足对齐，又节省空间

代码演示：

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

输出结果：

结论：

在设计结构体时，让占用空间小的成员尽量集中在一起。

6.4 计算结构体练习

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

S1 = 12

//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

S2 = 8

//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

S3 = 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));

S4 = 32

7.修改默认对齐数

7.1 #pragma pack( )

改变默认对齐数,使用#pragma pack(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;
}

输出结果：

8.结构体传参

8.1 结构体传参（传结构体地址）

代码演示：

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;
}

首选print2函数。

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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。

二、位段

1.什么是位段

位段是一种数据结构，可以在一个字节或多个字节中分别分配多个变量。位段中的每个变量只占用一个或几个位，从而允许有效地使用内存。位段的大小和每个变量的位数是由编译器决定的，通常是基于数据类型和可用位数的限制。位段可以用于优化内存使用，特别是在嵌入式系统中。

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位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

• 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
• 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

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。
   

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，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

4.位段的应用

三、枚举

1.什么是枚举

枚举（Enumeration）是一种定义常量集合的数据类型，在程序中通常用来表示固定的有限选项。

枚举类型允许定义一组常量，常用于程序中需要使用多个取值相同的变量的场景。例如，定义颜色枚举类型，包含红、绿、蓝三种颜色，可以通过枚举类型来表示这三种颜色，方便程序的编写和维护。枚举的常量值一般为整型，也可以指定特定的值。

枚举顾名思义就是一一列举
把可能的取值一一列举

2.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

3.枚举类型的赋值

这些可能取值都是有值的，默认从0开始，依次递增1，在声明枚举类型的时候也可以赋初值。

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

4.枚举的优点

可以使用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举？

枚举优点：

• 增加代码的可读性和可维护性
• #define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
• 便于调试
• 使用方便，一次可以定义多个常量

5.枚举的使用

enum Sex//性别
{
 man=1,   //男性  1
 woman=2, //女性  2
 null=0   //保密  0 
};
enum Sex xiaom = 1;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。

四、联合（共用体）

1.什么是联合体

联合体（Union）是一种在C语言中使用的数据类型，它是由多个不同类型的成员变量组成的数据结构。在联合体中，所有的成员变量共用同一个存储空间，在任何时候只能有一个成员变量被有效地使用。因此，联合体的大小等于其最大的成员变量的大小。联合体可以用来保存不同类型的变量，从而节省内存空间，但也使得代码的可读性和可维护性变得更加复杂。

2.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，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体）。

//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));

3.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）。

4.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。

代码演示：

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));

输出结果：

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总结

下列是对结构体、位段、枚举、联合的总结
结构体：结构的作用是将多个不同类型的数据聚合在一起，以便于进行组织和管理
位段：位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int
枚举：枚举顾名思义就是一一列举
联合：联合体的大小等于其最大的成员变量的大小

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