C进阶-自定义类型:结构体,枚举,联合

自定义类型

  • 1 结构体的声明
    • 1.1 结构的基础知识
    • 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 修改默认对齐数
    • 1.8 结构体传参
  • 2. 位段
    • 2.2 位段的内存分配
    • 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(共用体)
    • 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 结构体的声明


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;

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。

比如:

//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(tag)。

那么问题来了?

//在上面代码的基础上,下面的代码合法吗?
p = &x;

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

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?

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

正确的自引用方式:

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

注意:

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

//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

有了结构体类型,那如何定义变量,其实很简单。

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

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

//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

考点
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。

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。


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;
}

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

直接上代码:

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;
}

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. 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 intunsigned intsigned int
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字

比如:

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?

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

在这里插入图片描述


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。
//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?

C进阶-自定义类型:结构体,枚举,联合_第1张图片


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

C进阶-自定义类型:结构体,枚举,联合_第2张图片


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,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。

例如:

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//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值,才不会出现类型的差异。
clr = 5;        //NO

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,特征是这些成员公用同一块空间(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));

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));//4235580
printf("%d\n", &(un.c));//4235580
//下面输出的结果是什么?
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);//11223355

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:

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));//8
printf("%d\n", sizeof(union Un2));//8

在这里插入图片描述

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