【零天赋C语言】——自定义类型:结构体、枚举、联合详解

一、结构体

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

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
};

1.3 特殊的声明

在声明结构时,可以不完全声明。

例:


struct 
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct 
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

1.4 结构体的自引用

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

typedef重定义类型:

tepedef struct Node
{
   int data;
   struct Node* next;

}Node;

1.5 结构体变量的定义和初始化

1、

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 };

2、

//初始化
struct Stu 
{
	char name[15];
	int age; 
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };

3、

//结构体嵌套初始化
struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = { 10, {4,5}, NULL }; 

struct Node n2 = { 20, {5, 6}, NULL };

1.6 结构体内存对齐

当我们掌握了结构体的基本使用之后,来深入讨论:计算结构体的大小,结构体内存对齐。

我们来计算思考下面代码的结构体大小:

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#include
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	return 0;
}

 运行结果:

【零天赋C语言】——自定义类型:结构体、枚举、联合详解_第1张图片

 当我们将结构体内的i和c2更换位置时:

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

#include
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	return 0;
}

运行结果: 

【零天赋C语言】——自定义类型:结构体、枚举、联合详解_第2张图片

 

  •  我们发现当将结构体内的两个数据更换位置时,其大小也会随之发生改变,这里就涉及了结构体的内存对齐,下面我来解释什么是结构体的内存对齐。

 

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。
  3. 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
  4. 结构体的总大小为最大对齐数(每个成员都有一个对齐数)的整数倍。
  5. 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的整数倍,结构体的整体大小就是所有最大对齐数(函嵌套结构体的对齐数)的整数倍。

 知道了结构体内存的对其规则之后,我们在通过画图来更好地理解:
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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一特定类型的数据,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。因为为了访问未对齐的地址,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问只需要一次即可。                                 【零天赋C语言】——自定义类型:结构体、枚举、联合详解_第5张图片
  3. 总结: 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,该如何做到?

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

 例:

struct S1
{
	char c1;
	char c2;
    int i;
};

#include
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	return 0;
}

1.7 修改默认对齐数

结构在对齐方式不合适的时候,我么们可以自己更改默认对齐数通过 #pragma 这个预处理指令。

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数,还原为默认

#include
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));

	return 0;
}

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 1.8 结构体传参

结构体传参可以分为两种:

  1. 传结构体
  2. 传地址

但是首选是 传地址: 如果传结构体的话,就需要在栈区开辟结构体大小的空间,参数压栈的系统开销比较大,会导致性能的下降,而传地址只需要开辟4/8字节(地址的大小)。

例:

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;
}

二、位段

2.1 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. 位段的成员后边有一个冒号和一个数字。

例:

struct A
{
    int _a:2;
    int _b:5;
    int _c:10;
    int _d:30;
};


#include

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

 运行结果:

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 2.2 位段的内存分配

位段内存分配:

  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)或者一个字节(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。

位段的内存是如何开辟呢?通过下面的代码来了解:

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
#include
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}

解析:

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 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,还是不确定。

总结:和会儿构体相比,位段可以达到相同效果,但是可以很好的节省空间,但是有跨平台的问题存在。

三、枚举

 枚举顾名思义就是——列举。把可能的取值一一列举。

比如:一周的星期一到星期日是有限的七天,可以一一列举......

3.1 枚举类型的定义

例: 

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。

 注:{} 里面的枚举都是有值的,默认从零开始,依次递增1,也可以在定义时赋值:


enum Color//颜色
{
	RED = 1,
	GREEN = 2,
	BLUE = 7
};

3.2 枚举的优点

  1. 增强代码的可读性和可维护性
  2. 和#define 定义的标识符比较时,枚举有类型检查,更加严谨。
  3. 便于调试
  4. 使用方便,一次可以定义多个变量。 

 3.3 枚举的使用

例:

 

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;

 四、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(共用体)

 例:

//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));

 运行结果:

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 4.2 联合的特点和大小的计算

联合的成员是公用一块内存空间的,这样一个联合变量的大小,至少是最大成员的大小。

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。

 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?
#include
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(union Un1));
    printf("%d\n", sizeof(union Un2));
	return 0;
}

运行结果:

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 解析:

每个联合体都是共用一个起始地址的。

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