深入理解c语言自定义类型：结构体，枚举，联合

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前言

本文将深度剖析结构体中的内存对齐，位段等知识

一、结构体内存对齐

首先，我们以一段代码来介绍我们的内存对齐，在这段代码中，我们需要计算四个结构体的大小。

struct s1 {
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct s2 {
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

struct s3 {
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct s4 {
	char c1;
	struct s3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));
	printf("%d\n", sizeof(struct s3));
	printf("%d\n", sizeof(struct s4));
}

我们得到的答案是这样，观察结构体s1,s2，它们只是变量的顺序不同，为什么大小也不同呢？这就是我们需要学习的知识，内存对齐。首先我们了解一下内存对齐的规则：

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。

然后我们便利用这个规则来计算这四个例子：
由规则2我们可以知道i的对齐数为4和8中较小的一个，所以为4
由规则3我们可以知道总大小不是9个字节，而应该是4的整倍数，所以应该是12

结构体s1,s2同理，所以我们计算s3,s4:
这是结构体s3的对齐情况，由于double的对齐数为8，所以最后总大小是8的倍数

当结构体中包含结构体的时候，同样遵循规则：

至此，我们了解了如何计算内存对齐，我们还需要知道为什么要内存对齐：

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。

另外，我们还可以按如下方法修改对齐数：

#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

二、位段

1.什么是位段

位段的声明和结构体是类似的

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。

以下便是位段的声明：

struct A
{
 int _a:2;
 int _b:5;
 int _c:10;
 int _d:30;
};

2.位段的大小

这里我们尝试计算位段的大小：

我们发现，结构体A中有4个int类型的变量，那么应该是16个字节，那么为什么是8个字节呢？
这里我们介绍位段的内存分配规则：

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。

所以我们发现，_a前面的int代表的是空间是4个字节4个字节开辟的，后面的数字代表可以利用的比特位，_a和_b利用了1个字节，_c利用了2个字节，_d利用了4个字节，但由于是开辟方式，所以最后是8个字节。
我们再举个例子：

这里我们是按1个字节1个字节方式开辟的，一共利用了16个比特位的空间，通过结果我们可以发现，编译器分配一个字节剩下的空间如果不够下一个利用，那么便会空置，再重新开辟1个字节的空间。

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。

4.位段的使用

当我们使用位段存储数据时，我们有很多需要注意的地方，比如大小端问题，位段中成员在内存中从左往右还是从右往左分配是不确定的…

在vs2022的环境下，我们知道位段中成员在内存中是从右往左分配的。

三.枚举

枚举常量默认从0开始。

enum Day//星期
{
 Mon,
 Tues,
 Wed,
 Thur,
 Fri,
 Sat,
 Sun
};

下面我们介绍一下枚举的优点：

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

四.联合（共用体）

1.联合的定义

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，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));

由此可见，c与i共用一块空间，这便是联合。

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）。

我们知道，i和c的起始地址一样，所以当更改c时，i中原本的数据也会被更改，考虑时需结合大小端。
当我们计算联合的大小时，也有规则需要注意：

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。

总结

在学习自定义类型时，我们不光只学其形，更要学其神，要深究内存中的一些规律，才能更好的掌握知识！