进阶C语言——自定义类型：结构体，枚举，联合

痛定思痛。 2023-10-11 21:21 27阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1 结构体
 *   *  1.1 结构的基础知识
     *  1.2结构的声明
     *  1.3 特殊的声明
     *  1.4 结构的自引用
     *  1.5 结构体变量的定义和初始化
     *  1.6 结构体内存对齐
     *  1.7 修改默认对齐数
     *  1.8 结构体传参
 *  2. 位段
 *   *  2.1 什么是位段
     *  2.2 位段的内存分配
     *  2.3 位段的跨平台问题
     *  2.4 位段的应用
 *  3. 枚举
 *   *  3.1 枚举类型的定义
     *  3.2 枚举的优点
     *  3.3 枚举的使用
 *  4. 联合（共用体）
 *   *  4.1 联合类型的定义
     *  4.2 联合的特点
     *  4.3 联合大小的计算

## 1 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 ###

struct tag
    {
        
       member-list;
    }variable-list;

例如描述一个学生：

#include <stdio.h>
    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
    int main()
    {
        
    	struct Stu;
    	return 0;
    }

也可以写成下面这样：

struct Stu
    {
        
    	//成员变量
    	char name[20];
    	int age;
    	float weight;
    } s4, s5, s6;//全局变量（此处可加变量可不加）
    
    int main()
    {
        
    	struct Stu s1;//局部变量
    	struct Stu s2;
    	struct Stu s3;
    
    	return 0;
    }

### 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;//（必须加名字才能用）
    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;

**警告：**

> 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。

**匿名结构体只能用一次，是不够方便的**

### 1.4 结构的自引用 ###

数据的存储结构  
![在这里插入图片描述][6b4456ba404544f5a831ce2b95b3a45e.png]

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？

答：不可行  
正确的自引用方式：

//代码2
    struct Node
    {
        
    	int data;
    	struct Node* next;
    };

注意：

//代码3
    typedef struct
    {
        
        int data;
        Node* next;
    }Node;
    //这样写代码，可行否？
    //答：不行
    //解决方案：
    typedef struct Node
    {
        
        int data;
        struct Node* next;
    }Node;//对匿名结构体重命名时的Node是结构体类型而不是变量

### 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 S
    {
        
    int x;
    int y;
    }p1; //声明类型的同时定义变量p1
    struct S p2; //定义结构体变量p2
    
    //初始化：定义变量的同时赋初值。
    struct S p3 = {
         100,'q' };
    
    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

### 1.6 结构体内存对齐 ###

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**  
代码演示：

struct S1
    {
        
    	int i;
    	char c1;
    };
    
    struct S2
    {
        
    	char c1;
    	int i;
    	char c2;
    };
    
    struct S3
    {
        
    	char c1;
    	int a;
    	char c2;
    	char c3;
    };
    
    int main()
    {
        
    	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    
    	return 0;
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][dc747965a4fa49a9b7c6be3fa5325c5e.png]  
画图理解s1的存放方式  
![在这里插入图片描述][4177cafa84234c4794d7e14288d99d40.png]  
**我们可以用offsetof这个宏来计算一下偏移量**

#include <stddef.h>
    #include <stdio.h>
    
    struct S
    {
        
    	char c;
    	int a;
    };
    
    int main()
    {
        
    	struct S s = {
        0};
    	printf("%d\n", offsetof(struct S, c));//0
    	printf("%d\n", offsetof(struct S, a));//4
    
    	return 0;
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][51a918f799754fceb38567186cfeb244.png]

> offsetof是一个宏，用来计算偏移量，使用时要包含头文件 **\#include <stddef.h>**

> **举例说明：**  
> ![在这里插入图片描述][6a9afaf73e9043bd92aa3ba4c2b22f20.png]  
> **结构体里嵌套结构体的类型**![在这里插入图片描述][e09851974e88477faac41da4c6dc009e.png]

**考点  
如何计算？**  
首先得掌握结构体的对齐规则：

> 1.  结构体的第一个成员永远放在0偏移处。
> 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中默认的值为8  
>     gcc环境下没有默认对齐数**（没有默认对齐数时，对齐数就是成员自身的大小）
> 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）的整数倍，如果不够，则浪费空间对齐。
> 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。

**为什么存在内存对齐?**

> 大部分的参考资料都是如是说的：

**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

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 ###

之前我们见过了 \#pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

#include <stdio.h>
    #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
    #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 S1));
    	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    	return 0;
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][68421c581195403e8965b6a68becf8f4.png]  
**结论：**

> 结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。

### 1.8 结构体传参 ###

我们直接看代码：

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;
    }

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

**结论：**

> 结构体传参的时候，要传结构体的地址。

## 2. 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？

//位段 - 二进制位
    struct A
    {
        
    	int _a : 2;
    	int _b : 5;
    	int _c : 10;
    	int _d : 30;
    };//47 bit
    //
    
    int main()
    {
        
    	struct A sa = {
        0};
    	printf("%d\n", sizeof(sa));
    
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][57af681fa98a42fa839362468a663a35.png]

### 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。

//一个例子
    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？

![在这里插入图片描述][72b6c7197c6c421cb0a2ab9578fc46f5.png]  
![在这里插入图片描述][ce9af28ce27c4750ac6f936feab338eb.png]  
假设分配到的内存中的比特位是由左向右使用  
分配的内存剩余的比特位不够使用时，浪费掉

### 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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

### 2.4 位段的应用 ###

![在这里插入图片描述][6adcda966bf3426aa2fedd84ba377f92.jpeg_pic_center]

## 3. 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  
> 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。  
例如：

enum Sex
    {
        
    	//枚举的可能取值,默认是从0开始，递增1的
    	//枚举常量
    	MALE,
    	FEMALE,
    	SECRET
    };
    
    int main()
    {
        
    	enum Sex s = FEMALE;
    	printf("%d\n", MALE);
    	printf("%d\n", FEMALE);
    	printf("%d\n", SECRET);
    
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][d5e36668870e4307974dd9b764e4b569.png]  
**当我们把MALE初始化成5时，结果就会从5开始递增**

enum Sex
    {
        
    	MALE=5,
    	FEMALE,
    	SECRET
    };

结果演示：  
![在这里插入图片描述][6d126caa5eba49bab71eb9a71799f0f0.png]  
**当我们把FEMALE初始化成5时，结果就会变成0，5，6**  
代码演示：

enum Sex
    {
        
    	MALE,
    	FEMALE=5,
    	SECRET
    };

打印结果：  
![在这里插入图片描述][6e9e9241043342d19e63a1d02d70854b.png]

### 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。

## 4. 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（所以联合也叫共用体）。

#include <stdio.h>
    
    union Un
    {
        
    	char c;//1
    	int i;//4
    };
    
    int main()
    {
        
    	union Un u;
    	printf("%d\n", sizeof(u));
    	printf("%p\n", &u);
    	printf("%p\n", &(u.i));
    	printf("%p\n", &(u.c));
    
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][63a49652609a4e30a89451cf90f27600.png]  
![在这里插入图片描述][576037d574ce451294be21a71bf4d9bb.png]

### 4.2 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;
    	// 下面输出的结果是一样的吗？
    	printf("%d\n", &(un.i));
    	printf("%d\n", &(un.c));
    	//下面输出的结果是什么？
    	un.i = 0x11223344;
    	un.c = 0x55;
    	printf("%x\n", un.i);
    	return 0;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][0cf891ee408f4934b5edb61abeaef5d1.png]  
**判断当前计算机的大小端存储**  
这个代码我们之前写过，但是现在有一种新的写法  
看代码：

union Un
    {
        
    	char c;//1
    	int i;//4
    };
    
    int main()
    {
        
    	union Un u;
    	u.i = 1;
    	if (u.c == 1)
    		printf("小端\n");
    	else
    		printf("大端\n");
    
    
    	return 0;
    }

运行结果：  
![在这里插入图片描述][f5cdd3fe79c14f3daee51828a6b8ad99.png]

### 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的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

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;
    }

打印结果：  
![在这里插入图片描述][7c077549a4c749a19513d344175a722f.png]

[6b4456ba404544f5a831ce2b95b3a45e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6b4456ba404544f5a831ce2b95b3a45e.png
[dc747965a4fa49a9b7c6be3fa5325c5e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/dc747965a4fa49a9b7c6be3fa5325c5e.png
[4177cafa84234c4794d7e14288d99d40.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/4177cafa84234c4794d7e14288d99d40.png
[51a918f799754fceb38567186cfeb244.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/51a918f799754fceb38567186cfeb244.png
[6a9afaf73e9043bd92aa3ba4c2b22f20.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6a9afaf73e9043bd92aa3ba4c2b22f20.png
[e09851974e88477faac41da4c6dc009e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/e09851974e88477faac41da4c6dc009e.png
[68421c581195403e8965b6a68becf8f4.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/68421c581195403e8965b6a68becf8f4.png
[57af681fa98a42fa839362468a663a35.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/57af681fa98a42fa839362468a663a35.png
[72b6c7197c6c421cb0a2ab9578fc46f5.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/72b6c7197c6c421cb0a2ab9578fc46f5.png
[ce9af28ce27c4750ac6f936feab338eb.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/ce9af28ce27c4750ac6f936feab338eb.png
[6adcda966bf3426aa2fedd84ba377f92.jpeg_pic_center]: https://img-blog.csdnimg.cn/6adcda966bf3426aa2fedd84ba377f92.jpeg#pic_center
[d5e36668870e4307974dd9b764e4b569.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/d5e36668870e4307974dd9b764e4b569.png
[6d126caa5eba49bab71eb9a71799f0f0.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6d126caa5eba49bab71eb9a71799f0f0.png
[6e9e9241043342d19e63a1d02d70854b.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6e9e9241043342d19e63a1d02d70854b.png
[63a49652609a4e30a89451cf90f27600.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/63a49652609a4e30a89451cf90f27600.png
[576037d574ce451294be21a71bf4d9bb.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/576037d574ce451294be21a71bf4d9bb.png
[0cf891ee408f4934b5edb61abeaef5d1.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0cf891ee408f4934b5edb61abeaef5d1.png
[f5cdd3fe79c14f3daee51828a6b8ad99.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/f5cdd3fe79c14f3daee51828a6b8ad99.png
[7c077549a4c749a19513d344175a722f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/7c077549a4c749a19513d344175a722f.png