【C语言】自定义类型（结构体，位段，枚举，联合）

一、结构体

结构体是一些值的集合，这些值被称为成员变量，结构的每个成员可以是不同类型的变量。

1.结构体的声明

例如描述一个学生：

struct stu
{
	char name[20];
	int age;
	char tele[13];
	char addr[20];
};

特殊声明
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];
	int age;
	char tele[13];
	char addr[20];
}x;
struct 
{
	char name[20];
	int age;
	char tele[13];
	char addr[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）。

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？ 
// p=&x 合法吗

警告：编译器会把上面的两个声明当成不同的两个类型，所以是非法的。

2.结构体的自引用：

struct stu
{
	int data;
	struct stu* next;
};

typedef struct Node
{
 	int data;
 	struct Node* next;
}Node;

3.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 
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

4.结构体内存对齐：

4.1结构体对齐规则

计算结构体的大小，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。

  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。

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
// 12
	
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
// 8

struct S3 
{ 
	double d;    
	char c;    
	int i; 
};
// 16
	
struct S4 
{    
	char c1;    
	struct S3 s3;    
	double d; 
};
// 32

4.2为什么存在内存对齐?

  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。

总体来说：
  结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
  所以说，为了既要满足对齐，还要节省空间，我们就可以让占用空间小的成员尽量在一起。

//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。

4.3修改默认对齐数

#pragma pack(2)//设置默认对齐数为2

struct S1
{
 	char c1;//1 2 1
	int i;//4 2 2
 	char c2;//1 2 1
};

#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认

该结构的大小为8。

5.结构体传参

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; 
} 

在上面两个函数中，print2函数更好一点。
  1. 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。
  2. 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。

结构体传参的时候，要传结构体的地址。

二、位段

注意：此处的讲解是基于vs编译器的

1.什么是位段 ？

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 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。

struct S

{
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};

S就是一个位段类型。
那么位段S的大小是多少呢？

可以看到位段S的大小为3个字节，这又是为什么呢？

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

接下来通过一个例子来分析一下位段中的空间是怎样开辟的，并且数据是怎样存放的。

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;
	return 0;
}

首先，位段S内的元素都为char类型，所以每次开辟一个字节（八个比特位）；其次，元素 a 占据三个比特位，就会在占据八个比特位的低三位，而 a 的数据大小为10，二进制为00001010，所以只能取低三位进行存储，也就是将010存储在那三个比特位上；元素 b 占据四个比特位，依然会在这一个字节内紧挨着选取四个比特位，b 的数据大小为12，所以会将1100进行存储；此时在这一个字节内只剩下一个比特位，而元素 c 要占据五个比特位，所以得重新开辟一个字节将 00011 进行存储；此时在这一个字节内还剩三个比特位，很明显不满足元素 d 的需要，所以继续开辟一个字节将 0100 进行存储；那最终的存储结果为 011000100000001100000100，这也就是为什么位段 S 的大小为 3 个字节。

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。（在32位平台上，定义一个int类型变量，那么它只有32个比特位，但是你在该变量后面的数字设置为33，那么就会出现问题）
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,但有跨平台的问题存在。

三、枚举

1.枚举类型定义

enum Day
{
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
enum Color//颜色
{
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

以上定义的 enum Day ， 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 。
这些枚举常量都是有值的，默认从0开始，一次递增1，当然在定义的时候对其赋值。

enum Color//颜色
{
	RED=1,
	GREEN=2,
	BLUE=3
};

2.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，一次可定义多个变量

四、联合（共用体）

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));

输出结果为4，为什么呢？下文给出了答案。

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

因为成员共用同一块内存空间，所以这两个成员变量的地址是一样的，而从输出第三项可以知道联合成员 c 的值会覆盖到成员 i 的数据低位。

此时通过联合的特点便可以判断某机器是大端字节序还是小端字节序。此下文章对此有详细讲解：

链接: 设计程序判断大小端模式

3.联合大小的计算:

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。

union Un
{
	short s[6];
	int a;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	return 0;
}

该联合的大小为12，short 类型占2个字节，总共有6个元素，总共占12个字节，int 类型占4个字节；通过比较知道最大对齐数为4（short为2，int为4），而12为4的倍数，所以成员大小为12。若将s有7个元素，则结果为16。