C语言自定义类型 结构体、位段、枚举、联合体的分析
文章目录
- 结构体
-
- 结构体类型的声明
- 结构体变量的定义和初始化
- 结构体内存对齐
- 位段
-
- 什么是位段
- 位段的内存分配
- 位段的跨平台问题
- 枚举
-
- 枚举类型的定义
- 枚举的优点
- 联合体（共用体）
-
- 联合类型的定义
- 联合的特点
- 联合大小的计算
结构体
结构体类型的声明
说起结构体，那什么是结构体呢？
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。
总的来说就是不同类型的集合构成了结构体，而相同类型的集合构成了数组。这也是结构体与数组的区别。
比如要描述一位学生的身份，我们可以有以下声明：
struct student
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20]; //学号
}; //分号不能丢
特殊的声明：
在声明结构的时候，可以不完全的声明。
比如：
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], * p;
注意：
1、上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签
2、这样特殊的结构体声明直接定义了变量，所以要再定义这样的结构体变量就不能实现了，只能在声明处直接定义变量。
3、在上面代码的基础上，这样的代码 p = &x 是不合法的；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
结构体变量的定义和初始化
有了结构体声明，我们就可以定义和初始化结构体变量了；
定义结构体变量大致可以分为两种类型，第一是直接在结构体后面声明并定义，第二是在结构体类型后面定义变量。
struct Point
{
int x;
int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //结构体类型后面定义变量p2
struct Point p3 = { 2,3 }; //初始化：定义变量的同时赋初值。
结构体内存对齐
其实结构体的声明就是创建一种C语言中没有的一种类型，即自定义类型，这种类型像int、char 类型一样，都要在内存中占用一定大小。比如int 类型占用4个字节，char 类型占用1个字节，那么我们自定义类型结构体要占几个字节呢？
而想要了解结构体的大小，首先得掌握结构体的对齐规则：
第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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。
VS2019 中默认的值为8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。
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。
示例1：
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
分析如下：
实例2：
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
分析如下：
实例3：
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
实例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));
分析如下：
经过4道例题的解读，大家应该了解结构体是怎么样进行内存对齐的吧。
可是为什么存在内存对齐呢？
- 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。
那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到呢？
我们可以让占用空间小的成员尽量集中在一起。
比如：
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
//S1的大小是12，而S2的大小是8
修改默认对齐数
vs2019中的默认对齐数是8，那么我们如果不想要这个默认对齐数，而是想自己设一个对齐数那要怎么办呢？
其实很简单，只需要#pragma 这个预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。
#include 程序执行结果：
位段
什么是位段
位段的声明和结构体是类似的，有两个不同：
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 或者 char。
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;
};
printf("%d\n", sizeof(struct A));
这就是一个位段，那么它的内存大小又是这么计算的呢？
比如上面的位段A大小就是8个字节。分析如下：
因为内部是int型，所以先分配4个字节即32个比特位给A；然后在第一个字节中，a占用2个比特位，b占用5个比特位，剩下一个比特位不够放c，浪费掉；在第二个字节中，c全部占用8个字节；在第三个字节中放c剩下的两个比特位；然后第四个字节不够放d，所以再分配4个字节给d使用。所以位段A的大小是8个字节。
位段的内存分配
- 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
- 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。
- 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
实例1：
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;
//空间是如何开辟的呢？
分析如下：
位段的跨平台问题
- int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
- 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。
- 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。
- 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
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
颜色也可以一一列举。
这里就可以使用枚举了
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。
比如：
enum Sex//性别
{
MALE = 2,
FEMALE = 5,
SECRET
};
枚举的优点
不知道大家想过没有我们为什么要用枚举，我们可以使用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举呢？其实枚举的优点用很多：
- 增加代码的可读性和可维护性
- 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
- 防止了命名污染（封装）
- 便于调试
- 使用方便，一次可以定义多个常量
联合体（共用体）
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;
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）。
我们来看一下这样的代码：
union Un
{
int i;
char c;
};
union Un un;
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%p\n", &(un.i)); //取出变量i的地址
printf("%p\n", &(un.c)); //取出变量c的地址
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
程序执行结果：
我们发现变量i和c的地址是一样的，并且改变c，i也会跟着改变。
所以验证了联合的成员是共用同一块内存空间的，改变其中的任何一个都会改变其它成员。
联合大小的计算
跟结构体和位段类似，联合也有自己的大小，那么它的规则又是怎样的呢？
规则如下：
1、联合的大小至少是最大成员的大小。
2、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。
实例：
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));
分析如下：
在第一个联合体中最大的成员是5，但是最大成员不是最大对齐数4的倍数，所以要对齐到最大对齐数的整数倍，即大小是8。
在第二个联合体中最大的成员是2*7=14，但是14最大成员不是最大对齐数4的倍数，所以要对齐到最大对齐数的整数倍，即大小是16。
