【C语言：自定义类型（结构体、位段、共用体、枚举）】
文章目录
- 1.结构体
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- 1.1什么是结构体
- 1.2结构体类型声明
- 1.3结构体变量的定义和初始化
- 1.4结构体的访问
- 2.结构体对齐
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- 2.1如何对齐
- 2.2为什么存在内存对齐？
- 3.结构体实现位段
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- 3.1什么是位段
- 3.2位段的内存分配
- 3.3位段的跨平台问题
- 3.4位段的应用
- 3.5位段使用注意事项
- 4.联合体
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- 4.1联合体的声明
- 4.2联合体的特点
- 4.3联合体的大小
- 4.4联合体与结构体的对比
- 5.枚举
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- 5.1枚举类型的声明
- 5.2枚举类型的优点
1.结构体
1.1什么是结构体
- C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，
- 假设我想描述学生，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不⾏的。描述⼀个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等；描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题，增加了结构体这种⾃定义的数据类型，让程序员可以⾃⼰创造适合的类型。
结构体是⼀些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量，如：标量、数组、指针，甚⾄是其他结构体。
1.2结构体类型声明
关键字：struct
struct stu //stu 结构体的名字
{
//以下是结构体的成员变量
int age;
char name[20];
float score;
//......
}; //分号不能丢
特殊声明方式：匿名结构体，即在声明结构体时不完全声明，省略了结构体的名字。
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
看下面的代码，这样做的结果时什么？
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], * p;
int main()
{
p = &x;
return 0;
}
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。
匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使⽤⼀次。
1.3结构体变量的定义和初始化
- 变量的定义
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
- 变量的初始化
struct Point p3 = { 10, 20 };
struct Stu //类型声明
{
char name[15];//名字
int age; //年龄
};
struct Stu s1 = { "zhangsan", 20 };//按顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 20, .name = "lisi" };//指定顺序初始化
- 结构体嵌套、自引用
struct Node
{
int data;
struct Point p;//嵌套
struct Node* next;//自引用
}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
1.4结构体的访问
结构体的访问有两种方式：
- 直接访问：通过点操作符（.）访问
- 间接访问：通过结构体指针访问，访问方式：结构体指针 -> 成员名
2.结构体对齐
在下面的代码中，char占1个字节，int占4个字节，那结构体的总大小就是5个字节，真的是这样嘛？
int main()
{
struct s
{
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct s));
return 0;
}
2.1如何对齐
要弄清结果为什么是8，我们就得了解结构体的对齐规则。
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1.结构体的第⼀个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
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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 该成员变量大小的较小值。 -
3.VS 中默认的值为 8
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4.Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。
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5.如果嵌套了结构体的情况，
嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处， -
6.结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍
#pragma这个预处理指令，可以修改编译器的默认对齐数
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
到底是怎么对齐的呢？看下图
来练习几个吧
2.2为什么存在内存对齐？
大部分的参考资料都是这样说的：
- 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。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对⻬成8的倍数，那么就可以⽤⼀个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
总体来说：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
因此，设计结构体的时候，我们既要满足对齐，⼜要节省空间，就要让占用空间小的成员尽量集中在⼀起。
3.结构体实现位段
3.1什么是位段
你听说过位段吗？是不是只听说过段位呀哈哈
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
- 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int ，在C99中位段成员的类型也可以 选择其他类型,例如char。
- 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
位段的位其实指的就是二进制位，下面的A就是位段类型的
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct A));
return 0;
}
2+5+10+30=47bit，一个字节是8个bit,那是不是6个字节就够了呢？
结果是8个字节。为什么是8个字节呢？----那是因为位段也存在对齐，位段的总大小也要对齐到自己最大成员变量的整数被。
注意：位段后的数字不可大于该数字本身的大小，否则就报错
3.2位段的内存分配
关于位段在内存中是如何存储的，C语言标准并未给出定义，下面我们就研究以下在VS中，位段是如何存储的。
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;
}
我们假设如果第一个字节中放不下了，就放在下一个字节中，第一个字节中剩余的比特位就舍弃，那么就是下面的结果：
vs中是不是这样存储的呢？看图我们知道，确实就是这样存的。
3.3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。
因此：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。
3.4位段的应用
下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要⼏个bit位就能描述，这⾥使⽤位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样⽹络传输的数据报大小也会较小⼀些，对网络的畅通是有帮助的。
3.5位段使用注意事项
- 位段的⼏个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。
- 所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输⼊值，只能是先输⼊放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。
4.联合体
4.1联合体的声明
- 像结构体⼀样，联合体也是由⼀个或者多个成员构成，这些成员可以是不同的类型。
- 但是
编译器只为最⼤的成员分配⾜够的内存空间。联合体的特点是所有成员共⽤同⼀块内存空间。所以联合体也叫：共⽤体。 - 给联合体其中⼀个成员赋值，其他成员的值也跟着变化。
4.2联合体的特点
- 所有变量公用同一块空间
- 改变一个成员，其它成员跟着变
4.3联合体的大小
- 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，就要对齐到最大对⻬数的整数倍。
4.4联合体与结构体的对比
因此，使用联合体是比较节省空间的。
5.枚举
5.1枚举类型的声明
枚举枚举，顾名思义，就是一一列举。在生活中可以一 一列举出来的就可以使用枚举类型。例如
⼀周的星期⼀到星期⽇是有限的7天，可以⼀⼀列举
⽉份有12个⽉，也可以⼀⼀列举
…
枚举的关键字是enum，枚举成员用逗号隔开，最后一个成员不加逗号
- 枚举的可能取值是常量，不能修改，因此我们也叫做枚举常量
- 枚举类型的变量的值只能是枚举的可能取值
enum day
{
Monday,
Tuesday,
Wednsdsday = 10,
Thursday,
Friday,
Saturday = 20,
Sunday
};
enum day d = Sunday;//使⽤枚举常量给枚举变量赋值
5.2枚举类型的优点
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：
- 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。
- 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号
- 使用⽅便，⼀次可以定义多个常量
- 枚举常量是遵循作⽤域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使⽤