自定义类型:结构体、联合和枚举
1. 结构体类型的声明
之前我在介绍操作符的时候,已经介绍了结构体的知识,这⾥我们重温⼀下.
1.1 结构体回顾
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.
1.1.1 结构的声明
struct tag//自定义{member-list;//1个或多个成员}variable-list;//可以省略结构体变量列表比如描述⼀个学⽣的相关信息：
struct Stu{char name[30];//名字int age;//年龄char sex[10];//性别char id[20];//学号}; //分号不能丢1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include <stdio.h>struct Stu{char name[30];//名字int age;//年龄char sex[10];//性别char id[20];//学号};int main(){//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "李四", 22, "男", "20240210230422" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20240210230401", .sex ="⼥" };printf("name: %s\n", s2.name);printf("age : %d\n", s2.age);printf("sex : %s\n", s2.sex);printf("id : %s\n", s2.id);return 0;}1.2 结构的特殊声明
在声明结构的时候,可以不完全的声明.
//匿名结构体类型struct{int a;char b;float c;}m;struct{int a;char b;float c;}a[30], *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？ 如果加了p = &m;代码合法吗？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？
⽐如:定义⼀个链表(一种数据结构)的节点：
struct Node{int data;struct Node next;};仔细想想,其实是不⾏的,因为⼀个结构体中再包含⼀个同类型的结构体变量,这样结构体变量的⼤⼩就会⽆穷的⼤,是不合理的。
正确的⾃引⽤⽅式：
struct Node
{
int data;//数据域
struct Node* next;//指针域
};在结构体⾃引⽤使⽤的过程中,夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名,也容易引⼊问题,看看
下⾯的代码,可⾏吗？
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;答案是不⾏的,因为Node是对前⾯的匿名结构体类型的重命名产⽣的,但是在匿名结构体内部提前使⽤Node类型来创建成员变量,这是不⾏的。
解决⽅案如下：定义结构体不要使⽤匿名结构体了
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
2. 结构体内存对⻬
我已经深入讲解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。
这也是⼀个特别热⻔的话题： 结构体内存对⻬
2.1 对⻬规则
⾸先得掌握结构体的对⻬规则：
1️⃣结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
2️⃣其他成员变量要对⻬到某个数字(对⻬数)的整数倍的地址处。
对⻬数 = 编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值.- VS 中默认的值为 8
Linux中gcc 没有默认对⻬数,对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩.
3️⃣结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数(结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数,所有对⻬数中最⼤的)的
整数倍.
4️⃣如果嵌套了结构体的情况,嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处,结构
体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数(含嵌套结构体中成员的对⻬数)的整数倍.
//练习一
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//结果输出:12
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//结果输出:8
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//结果输出:16
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;//嵌套的结构体成员
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
//结果输出:32
2.2 为什么存在内存对⻬?
1️⃣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。
2️⃣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⻬.原因在于,为了访问未对⻬的内存,处理器需要作两次内存访问;⽽对⻬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。
那在设计结构体的时候,我们既要满⾜对⻬,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?
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。2.3 修改默认对⻬数
#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。#include <stdio.h>#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1struct S{char c1;int i;char c2;};#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认int main(){printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;}//结果输出:6//结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。3. 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;}上⾯的 print1 和 print2 函数哪个好些?答案是：⾸选print2函数。
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,所以会导致性能下降.
结论:结构体传参的时候,要传结构体的地址.
4. 结构体实现位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能⼒。
4.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的,有两个不同：
1️⃣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
2️⃣位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字.
//比如:A就是⼀个位段类型.那位段A所占内存的⼤⼩是多少？#include <stdio.h>int main(){struct A{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;};printf("%d\n", sizeof(struct A));return 0;}//结果输出:84.2 位段的内存分配
1️⃣位段的成员可以是int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
2️⃣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。
3️⃣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.
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？
4.3 位段的跨平台问题
1️⃣int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的.
2️⃣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.
3️⃣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.
4️⃣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.
4.4 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.
4.5 位段使⽤的注意事项
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.
struct A{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;};int main(){struct A sa = {0};scanf("%d", &sa._b);//这是错误的//正确的⽰范int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;}5. 联合体
5.1 联合体类型的声明
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。
#include <stdio.h>//联合类型的声明union Un{char c;int i;};int main(){//联合变量的定义union Un un = {0};printf("%d\n", sizeof(un));
return 0;
}
//输出结果:45.2 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).
//代码1
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un = {0};
printf("%p\n", &(un.i));
printf("%p\n", &(un.c));
printf("%p\n", &un);
return 0;
}
//输出结果:001AF85C001AF85C001AF85C
//代码2
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un = {0};
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
return 0;
}
//输出结果:11223355代码1输出的三个地址⼀模⼀样,代码2的输出,我们发现将i的第4个字节的内容修改为55了.
我们仔细分析就可以画出,un的内存布局图.
5.3 相同成员的结构体和联合体对⽐
我们再对⽐⼀下相同成员的结构体和联合体的内存布局情况.
struct S
{
char c;
int i;
};
struct S s = {0};
union Un
{
char c;
int i;
};
union Un un = {0};
5.4 联合体⼤⼩的计算
1️⃣联合的⼤⼩⾄少是最⼤成员的⼤⼩.
2️⃣当最⼤成员⼤⼩不是最⼤对⻬数的整数倍的时候,就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍.
#include <stdio.h>
union Un1
{
char c[5];
int i;
};
union Un2
{
short c[7];
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(union Un1));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));
return 0;
}
//输出结果:8 16使⽤联合体是可以节省空间的,举例：
⽐如,商家要搞⼀个活动,要上线⼀个礼品兑换单,礼品兑换单中有三种商品:图书、杯⼦、衬衫.
每⼀种商品都有：库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息.
图书：书名、作者、⻚数
杯⼦：设计
衬衫：设计、可选颜⾊、可选尺⼨
那我们直接写出⼀下结构：
struct gift_list
{
//公共属性
int stock_number;//库存量
double price; //定价
int item_type;//商品类型
//特殊属性char title[20];//书名char author[20];//作者int num_pages;//⻚数char design[30];//设计int colors;//颜⾊int sizes;//尺⼨};上述的结构其实设计的很简单,⽤起来也⽅便,但是结构的设计中包含了所有礼品的各种属性,这样使得结构体的⼤⼩就会偏⼤,⽐较浪费内存.因为对于礼品兑换单中的商品来说,只有部分属性信息是常⽤的.⽐如：
商品是图书,就不需要design、colors、sizes.
所以我们就可以把公共属性单独写出来,剩余属于各种商品本⾝的属性使⽤联合体起来,这样就可以介绍所需的内存空间,⼀定程度上节省了内存。
struct gift_list{int stock_number;//库存量double price; //定价int item_type;//商品类型union {struct{char title[20];//书名char author[20];//作者int num_pages;//⻚数}book;struct{char design[30];//设计}mug;struct{char design[30];//设计int colors;//颜⾊int sizes;//尺⼨}shirt;}item;};5.5 联合的练习(判断当前机器是大端还是小端？)
按照我之前介绍的，我们肯定会先想到下面这种方法进行判断.
//这是用联合体的思想去写int check_sys(){union{int i;char c;}un;un.i = 1;return un.c;//返回1是⼩端，返回0是⼤端}6. 枚举类型
6.1 枚举类型的声明
枚举顾名思义就是⼀一列举.把可能的取值⼀列举.⽐如我们现实⽣活中：
⼀周的星期⼀到星期⽇是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
三原⾊,也是可以一一列举
这些数据的表⽰就可以使⽤枚举了.
enum Day{Mon,Tues,Wed,Thur,Fri,Sat,Sun};enum Sex{MALE,FEMALE,SECRET}；enum Color{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,依次递增1,当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值.
enum Color{RED=2,GREEN=4,BLUE=8};6.2 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：
1️⃣增加代码的可读性和可维护性.
2️⃣和#define定义的标识符⽐较枚举有类型检查，更加严谨.
3️⃣便于调试,预处理阶段会删除 #define定义的符号.
4️⃣使⽤⽅便,⼀次可以定义多个常量.
5️⃣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.
6.3 枚举类型的使⽤
enum Color{RED=1,GREEN=2,BLUE=4};enum Color clr = GREEN;//使⽤枚举常量给枚举变量赋值那是否可以拿整数给枚举变量赋值呢？在C语⾔中是可以的,但是在C++是不⾏的,C++的类型检查⽐较严格.
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