【C语言进阶】自定义类型:结构体,枚举,联合

自定义类型:结构体,枚举,联合

    • 1.结构体
      • 1.1结构体类的基础知识
      • 1.2结构的声明
      • 1.3特殊的声明
      • 1.4结构的自引用
      • 1.5结构体变量的定义和初始化
      • 1.6结构体内存对齐
      • 1.7修改默认对齐
      • 1.8结构体传参
    • 2.段位
      • 2.1什么是段位
      • 2.2段位的内存分配
      • 2.3位段的跨平台问题
      • 2.4位段的应用
    • 3.枚举
      • 3.1枚举类型的定义
      • 3.2枚举的优点
      • 3.3枚举的使用
    • 4.联合
      • 4.1联合类型的定义
      • 4.2联合的特点
      • 4.3联合大小的计算

1.结构体

1.1结构体类的基础知识

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

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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

1.3特殊的声明

在声明结构的时候,可以不完全的声明

//匿名结构体类型
struct 
{
	char name[20];
	char author[12];
	float price;
}b1, b2;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)

当我们使用匿名结构体时,以下做法合理么?

struct
{
	char name[20];
	char author[12];
	float price;
}b;
struct
{
	char name[20];
	char author[12];
	float price;
}* p;
int main()
{
	p = &b;//不建议这样写
	return 0;
}

警告:
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。

1.4结构的自引用

//错误自引用
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//正确自引用
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};

1.5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,p1为全局变量
struct Point p2; //定义结构体变量p2,p2为局部变量
//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

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
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
    gcc没有对齐数,对齐数就是自身大小
  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。
    案例一:
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述

分析:
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案例二:

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述

分析:
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案例三:

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述

分析:
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案例四:

//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;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

运行结果:
在这里插入图片描述

分析:
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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。

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

//例如:
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

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。

补:offsetof(可以计算结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量)
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offsetof案例:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
#include
struct S1
{
	char c1;//1
	int i;//4
	char c2;//1
};
int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
	return 0;
}

运行结果:
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1.7修改默认对齐

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。

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
	char c1;//1 1 1
	int a; // 4 1 1
	char c2;//1 1 1
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数,还原为默认
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}

运行结果:
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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。

1.8结构体传参

代码案例:
struct S
{
	int data[100];
	int num;
};
//结构体传参
void print1(struct S tmp)
{
	printf("%d\n", tmp.num);
}
//结构体地址传参
void print2(const struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3}, 100 };
	print1(s);
	print2(&s);
	return 0;
}

运行结果
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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。

2.段位

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

2.1什么是段位

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。

代码案例:
struct A
{
	int _a : 2;//二进制位
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}

A就是一个位段类型。
那位段A的大小是多少?

运行结果:
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2.2段位的内存分配

  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;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	printf("%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

空间是如何开辟的?
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运行结果:
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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。

2.4位段的应用

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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

这里就可以使用枚举了

3.1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
};

3.2枚举的优点

为什么使用枚举?
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

3.3枚举的使用

enum Color
{
	RED,//0
	GREEN,//1
	BLUE//2
};
#define RED 0
int main()
{
	enum Color c = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值

	enum Color cc = 3;//.c文件中允许,.cpp文件中不允许
	return 0;
}

4.联合

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;
};
int main()
{
	//联合变量的定义
	union Un un;
	//计算连个变量的大小
	printf("%d\n", sizeof(un));
	return 0;
}

运行结果:
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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)。

union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	union Un un = { 0 };
	un.i = 0x11223344;
	un.c = 0x55;
	printf("%p\n", &un);
	printf("%p\n", &(un.i));
	printf("%p\n", &(un.c));
	return 0;
}

&un:
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运行结果:
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面试题:
判断当前计算机的大小端存储

int check_sys()
{
	union
	{
		int i;
		char c;
	}un = {.i = 1};
	return un.c;
}

int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

运行结果:
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4.3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。

比如:

代码案例:
union Un1
{
	char c[5];//5 1 8 1
	int i;//4 8 4
};
union Un2
{
	short c[7];//14 2 8 2
	int i;//4 4 8 4
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));//5+3 = 8
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16
	return 0;
}

运行结果:
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不知不觉,自定义类型:结构体,枚举,联合以告一段落。通读全文的你肯定收获满满,让我们继续为C语言学习共同奋进!!!

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