【C语言】自定义类型：结构体，枚举，联合

1. 结构体的声明

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1.1 结构体的基础知识

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//tag -- 标签名,结构体的类型名字
{
	member - list;//成员列表
}variable - list;//变量列表

例如我们描述一个学生：

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;

⚠️：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。

所以得出结论：一般我们是不常用匿名结构体的，如果使用结构体，我们有两种方式。
 
方式一：定义匿名结构体时，直接定义变量。

方式二：通过typedef来改变该匿名结构体类型

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？

这样显然是不可以的，在这里我们可以通过思考看出来这样是肯定不行的，我们无法计算出该结构体的大小为多少。结构体大小的计算下面会讲到。

正确的自引用方式：

//代码2
struct Node
{
	int data;//数据域
	struct Node* next;//指针域
};

注意⚠️：我们说过匿名结构体可以通过typedef来改变类型名

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

答案是不行的。这里是先使用了，再定义的。正确的写法应该是这样：

//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 i;
 	char c;
}p1 = {.c = 'a', .i = 10},p2 = {20, 'b'}; //声明类型的同时定义并初始化变量p1,p2
//从这里不难看出,我们在初始化时不一定要按照顺序初始化

struct Point p3 = {30，'c'}; //定义结构体变量p3,初始化的道理与上面是一样的

含嵌套结构体的初始化：

struct Point
{
	int i;
	char c;
}p1 = { .c = 'a', .i = 10 }, p2 = { 20, 'b' }; 

struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = {.p = {0,'a'}, .next = NULL, .data = 100}; 
//结构体嵌套初始化,这里同样是可以不按顺序初始化的
struct Node n2 = { 20, {10, 'b'}, 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。

在这里我们先来介绍一下一个宏：offsetof，它的头文件和参数如下：

<stddef.h>
offsetof (type,member) // 第一个参数是类型，第二个参数是成员

• 它可以计算结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量

我们来看一个例子：

从这里我们可以看到，两个成员相同的结构体，它们的大小不相同。我们来看一下它们的偏移量，再来分析

看到这里的偏移量，再结合前面的结构体的大小，我们可以分析出下面这些：

画❌的地方是浪费掉的空间。
通过上面的现象分析，我们发现结构体成员不是按照顺序在内存中连续存放的，而是有一定的对齐规则。

 

⭐️：考点
如何计算结构体的大小
首先我们要先掌握对齐规则

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中默认对齐数是8
   ：gcc中没有没有默认的一个对齐数，对齐数就是成员自身的大小
3. 结构体的总大小为最大对齐数（成员变量中对齐数最大的那个）的整数倍
4. 如果我们要计算的结构体嵌套了其他结构体的情况，嵌套的那个结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，而我们计算的这个结构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。
   ： 嵌套中的结构体的对齐数 = 该结构体的最大对齐数
   ： 数组的对齐数，是取决于它的类型，取它的类型大小和默认对齐数的较小值

有了这些基础，我们就不难看出上面两个结构体的大小是怎么来的了。我们可以再练练手：

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

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}

先分析struct s3:

再来分析struct s4：

结果如图所示：

 

那么为什么存在内存对齐呢？

大部分的参考资料都是如此说：

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. 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

举个例子来看：

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

默认对齐数其实是可以修改的，这里我们用到一个预处理指令：#pragma

一个：

#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

我们来做一道题：

#include 
#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 S2));
	return 0;
}

因为默认对齐数是1，取成员大小和默认对齐数的较小值，所以结构体的每个成员的对齐数都是1，因此结构体的最大对齐数就是1，所以该结构体的大小就是所有成员的大小之和。

结论：

结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。⚠️：一般设置都是设置成2ⁿ。

1.8 结构体传参

直接看代码：

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;
}

比较一下print1和print2函数哪个好些？
答案是：print2
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，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

结论：
结构体在传参的时候，应首先考虑传结构体的地址。

 
 

2. 位段

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学完结构体以后，我们来看一下结构体是怎么实现位段的。

2.1 什么是位段

位段的声明和结构体是类似的，有两个不同：

1. 位段成员必须是整形家族：int、unsigned int 、signed int、char或short
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的大小是多少呢？

为什么是8呢？

 
所谓位段，就是管理的二进制位，位段成员名后面跟的数字就表示有多少个比特位

而我们看到这里_a、_b、_c、_d 后面的数字加起来是47，表示有47个比特位，而因为一个int表示四个字节，也就是32个比特位，所以显然一个int不够分配，需要两个int，也就是八个字节 ，所以sizeof(struct A)大小是8。

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。

我们来看一个例子：

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;
}

我们先看看这组数据在内存中是如何存储的：

这组数据是什么意思呢？我们来分析一下：

这样就能理解清楚位段是怎么存储数据的了，当然这是我在VS2022环境测试的数据，据我了解，VS2013,、VS2019的测试数据都和这个一样。如果换个其他编译器，就不一定就能得到我们这组数据了，这是因为位段跨平台是不稳定的。

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，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

那这样看来位段是不是就没有什么实际用途呢？

2.4 位段的应用

位段也可以运用在IP数据包的格式，我们在发消息的时候，内容会进行一个包装，所以我们如果能够节省空间就可以尽量节省空间。如果我们直接定义结构体的话，那么消息发得多了肯定会造成空间的大量浪费。

 
 

3. 枚举

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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。

 
⭐️：这些枚举常量都是有值的，默认从0开始，一次递增1， 当然在声明枚举类型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

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定义的标识符相比枚举有类型检查，更加严谨
3. 便于调试
4. 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;               //是否可行呢?

我们可以看到，在后缀为.c的文件是可以通过编译的，而后缀为.cpp的文件是不能通过编译的。

 
 

4. 联合（共用体）

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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，特征是这些成员共同使用同一块空间（所以联合也叫共用体）。
比如：

//联合类型的声明
union Un
{
	char c; // 一个字节
	int i;  // 四个字节
};
//联合变量的定义
union Un un;

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

我们可以看到，我们定义的这个联合体，char和int两个类型加起来，怎么说都应该是有五个字节，可是我们看看sizeof(un)的结果：

是四个字节，为什么会这样呢？

4.2 联合体的特点

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;

int main()
{
	// 下面输出的结果是一样的吗？
	printf("%p\n", &un);
	printf("%p\n", &(un.i));
	printf("%p\n", &(un.c));
	return 0;
}

很明显，他们的结果是相同的，这也正好说明了，这三个是在同一片空间，如图：

我们再来看：

union Un
{
	int i;
	char c;
};
union Un un;

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

结果如图：

我们来分析一下：

不了解大小端存储的可以参考一下《数据在内存中的存储》这篇博客。
由此我们可以理解了联合体的意义。

那么联合体有什么用呢？
我们来做一道题：

判断当前计算机的大小端存储

int check_sys()
{
	union  //这里是匿名定义,因为我们只需要用一次它的变量
	{
		int i;
		char c;
	}un;
	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;
}

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时，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

这里计算大小时，也遵从了对齐规则。

比如：

union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};

int main()
{
	//下面输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));
	return 0;
}