C语言进阶--自定义类型：结构体，枚举，联合

结构体
结构体类型的声明
结构的自引用
结构体变量的定义和初始化
结构体内存对齐
结构体传参
结构体实现位段（位段的填充&可移植性）
枚举
枚举类型的定义
枚举的优点
枚举的使用
联合
联合类型的定义
联合的特点
联合大小的计算

一、结构体

结构体是一些值的集合，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。
为什么要有结构体？

因为在实际问题中，一组数据往往有很多种不同的数据类型。例如，登记学生的信息，可能需要用到 char型的姓名，int型或
char型的学号，int型的年龄，char型的性别，float型的成绩。又例如，对于记录一本书，需要
char型的书名，char型的作者名，float型的价格。在这些情况下，使用简单的基本数据类型甚至是数组都是很困难的。而结构体（类似Pascal中的“记录”），则可以有效的解决这个问题。
结构体本质上还是一种数据类型，但它可以包括若干个“成员”，每个成员的类型可以相同也可以不同，也可以是基本数据类型或者又是一个构造类型。
结构体的优点：结构体不仅可以记录不同类型的数据，而且使得数据结构是“高内聚，低耦合”的，更利于程序的阅读理解和移植，而且结构体的存储方式可以提高CPU对内存的访问速度。

1.1、 结构体的声明

struct Stu {
	char name[20];
	int age;
	int price;
}s1,s2;  // 注意--这里的分号不能丢
//此时s1和s2都是全局变量

struct Stu s3; //s2 -- 也是全局变量

int main()
{
	struct Stu s4; //s4就是局部变量
	return 0;
}

1.2、特殊的声明 – 匿名结构体

struct {
	char name[20];
	int age;
	int price;
}s1, s2;

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*p;
int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
那么问题来了？
在上面的代码合法吗？
不合法！！！

1.3、结构体变量的定义和初始化

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1 = {1, 2},p4;

struct Point p2 = { 2, 3 };

struct s
{
	double d;
	struct Point p5;
};

int main()
{
	struct Point p3 = { 4, 5};
	struct s s1 = { 1.2, {1, 8} };

	return 0;
}

1.5、结构体成员的访问

结构体变量访问成员
结构变量的成员是通过点操作符（.）访问的。点操作符接受两个操作数

1.5、结构体内存对齐 – 计算结构体的大小

计算s1和s2的大小？？

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

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};
int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	struct S2 s2 = { 0 };

	printf("%d\n",sizeof(s1));
	printf("%d\n", sizeof(s2));

	return 0;
}

为什么结果是12和8呢？？？

s2

1.5.1、结构体内存对齐规则

1、结构体变量 第一个结构体成员 总是放在 结构体 起始位置 偏移量为0 的位置
2、结构体成员从第二个开始，总放在 偏移量 为对齐数 的整数倍处

 对齐数：编译器默认对齐数和结构体成员自身大小的较小值
 linux环境  --- 没有默认对齐数
 vs2019  ------  默认对齐数为8

3、结构体总大小 是 结构体成员 最大的对齐数 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。

1.5.2、结构体内存对齐练习

练习1

struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

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

练习2

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;
}

1.6、为什么存在内存对齐？？

大部分的参考资料都是如是说的：

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。
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

1.7、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。

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

struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int a;
};
int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	struct S2 s2 = { 0 };

	printf("%d\n",sizeof(s1));
	printf("%d\n", sizeof(s2));

	return 0;
}

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？？？

1.8、修改默认对齐数

#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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

结构体在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数

1.9、百度笔试题 – 写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明

考察： offsetof 宏的实现

#include
//size_t offsetof( structName, memberName );
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
	return 0;
}

注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。

二、位段（不具备跨平台）

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 —》 位，指的是比特位，生活总的有些值是不需要太多的内存空间来表示，比如说：性别，无非就是男，女，保密，这三种，如果用char类型表示，那不就是浪费了很多空间吗，那段位不就能根号的节省空间了，用2个 比特位就可以表示完了，00 表示男 ， 01 表示女， 10 表示保密

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 ，。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 : 20;
};

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

此时A就是一个位段，

上面的结果是什么？？？
一个位段有多大？？？
按照结构体计算的话，那应该是16个字节，4个int类型；

int _a : 2;// _a ----- 表示2个比特位来存储
int _b : 5;// _b ----- 表示5个比特位来存储
int _c : 10;// _c ----- 表示10个比特位来存储
int _d : 20;// _d ----- 表示20个比特位来存储
那总公的空间不就是47个比特位吗？？那6个字节不就能放完吗，那为什么要8个字节呢？？？
此时就说明位段能够一定程度上节省空间

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。
   所以在开辟空间的时候，int开辟4byte，char开辟1byte
   

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

比如现在我们在网络上聊天，发了一句“呵呵”，并不是把 “呵呵”这两个字直接丢在网络上，而是通过一定的方法，将这发的数据打包
通过上面的方式打包，图中我们可以看见4位版本号，4位首部长度… 这些都是通过比特位来实现的，如果把这里换成int类型，那这份数据报是很大的，而用bit就能节省空间了

三、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。
里面的表达式为整型常量表达式
{ }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

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

四、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;
}

联合体在使用的时候，同时只能使用一个成员变量，不能同时使用两个，因为是一块内存空间，如果改变i的时候，就会将c改变

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

4.3、面试题 – 判断当前环境是大端存储还是小端存储

大端存储：低地址处存放高位数据，高地址处存放低位数据
小端存储：低地址处存放低位数据，高地址处存放高位数据

union u 
{
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	union u s;
	s.i = 1;
	if (s.c == 0)
	{
		printf("大端\n");
	}
	if (s.c == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}

	return 0;
}

4.4、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。

计算下面联合体的大小

union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};

union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));

	return 0;
}