C语言_自定义类型（结构体，枚举，联合）

🕗 发布于 2025-01-23 13:39 c语言 开发语言

本章重点

结构体
- 结构体类型的声明
- 结构的自引用
- 结构体变量的定义和初始化
- 结构体内存对齐
- 结构体传参
- 结构体实现位段（位段的填充&可移植性）
枚举
- 枚举类型的定义
- 枚举的优点
- 枚举的使用
联合
- 联合类型的定义
- 联合的特点
- 联合大小的计算

1.结构体

1.1结构体的声明

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。

数组是一组相同类型元素的集合

结构的声明

struct Stu//结构体类型名（关键字+标签名）
//相当于我们平常的int char double....类型
{
 member-list;//成员变量的列表
}variable-list;//

举个例子，例如声明一本书：
在这里插入图片描述
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（创建变量s）
struct//这里没有写标签名
{
char c;
int i;
char ch;
double d;
} s;
//匿名结构体类型指针
struct
{
char c;
int i;
char ch;
double d;
} *ps;

那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
ps = &s;

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。

2.结构的自引用

在结构中包含一个类型为结构体成员是否可以呢?
在这里插入图片描述这样写是可以的！
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？

不可行，不是包含同类型结构体变量

正确的自引用方式：

//代码2
struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;//包含同类型结构体指针
};

注意：

//代码3
typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？
结果显然是不可行的，我们知道typedef表示重命名的意思，按理论来讲是先有里面的那个Node然后才能重定义Node,这里这样不知道先后顺序，所以不可行
//解决方案：
typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

3.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
{
char c;
int i;
}s1,s2;

struct B
{
double d;
struct S s;
char c;
};
int main()
{
struct S s3 = { 'x',20 };//初始化
struct B sb = { 3.14,{'e',100},'q' };
//.访问结构体变量名
//->访问结构体指针
printf("%lf %c %d %c\n", sb.d, sb.s.c, sb.s.i, sb.c);//访问打印
return 0;
}

打印结果：
在这里插入图片描述

4.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

考点如何计算？首先得掌握结构体的对齐规则

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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

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。

在这里插入图片描述由上图可知：

结构体的第一个成员放在结构体变量在内存中存储位置的0偏移处开始
从第2个成员往后的所有成员，都放在一个对齐数(成员的大小和默认对齐数的较小值)的整数的整数倍的地址处
结构体的总大小是结构体的所有成员的对齐数中最大的那个对齐数的整数倍。

下面我们做几个练习：

//练习1
struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
结果为12

//练习2
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
结果为8

在这里插入图片描述

//练习3
struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
结果为16

在这里插入图片描述

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
结果为32

在这里插入图片描述
为什么存在内存对齐?

大部分的参考资料都是如是说的：

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。

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
说明：较小的成员集中在一起放，可以更好的节省空间！

5.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。
在这里插入图片描述
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。

百度笔试题：

写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明

考察： offsetof 宏的实现（也就是用来实现每个结构体成员的偏移量是多少）
注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。

所以下面我们先讲offsetof的功能

在这里插入图片描述

6.结构体传参

直接上代码：

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。

7.位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

什么是位段

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 。
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？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

结果是8
在这里插入图片描述

位段的内存分配

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
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。
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。

根据分配规则我们可以知道：

struct A
{
 int _a:2;//_a成员占2个比特位
 int _b:5;//_b成员占5个比特位
 int _c:10;//_c成员占10个比特位
 int _d:30;//_d成员占30个比特位
 注意这里30不能超过32，因为int开辟的空间最大是32
};//一共是47个比特位 47=32+15

这里全部是int类型，所以按照4个字节的方式来开辟的，4个字节=32个比特位，所以先开
辟32个空间，然后_a成员占2个比特位,_b成员占5个比特位,_c成员占10个比特位,这里的
32位只能先存放a b c三个里面的；还剩下15个存不下_d的30位，所以要再开辟4个字节来
存放d的，所以结果为8

那么这里就会出现一个问题，那就是前一个开辟4个字节剩下的15个比特位会继续给d用呢？还是d直接用新开辟的4个字节呢？

//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
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。

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。

8.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。
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。

enum Day//星期
{
 Mon,
 Tues,
 Wed,
 Thur,
 Fri,
 Sat,
 Sun
};
enum Sex//性别
{
 MALE,
 FEMALE,
 SECRET
}；
enum Color//颜色
{
 RED,//默认值为0，如果改为5，下面分别变为6 7（是默认递增1的）
 GREEN,//1
 BLUE//2
};

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 Color//颜色
{
 RED=1,
 GREEN=2,
 BLUE=4
};

8.1枚举的优点

为什么使用枚举？

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。
防止了命名污染（封装）
便于调试
使用方便，一次可以定义多个常量

8.2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;               //ok??

这是错误的。当你定义了一个枚举类型 Color 并声明了一个 Color 类型的变量 clr 时，你只能将该枚举类型中定义的枚举成员赋值给这个变量。这里的 clr 是 Color 类型，而 5 是一个整型。将一个整型直接赋值给枚举变量，不符合 C++ 对枚举类型的类型安全要求。枚举变量通常被期望保存枚举类型中定义的枚举成员，这样可以确保变量的值在定义的枚举成员集合中，以保证代码的清晰性和类型安全。

9.联合（共用体）

9.1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）。比如：

//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));

在这里插入图片描述

那结果为什么是4呢？
这里我们看看它们的地址：

在这里插入图片描述
观察上图我们可以发现，三个的地址是一样的，所以画图解释：

这里我们可以知道i和c共用了一块空间，所以联合体也叫共用体

9.2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;
};
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);

在这里插入图片描述

union Un un;：声明了一个 Un 类型的联合变量 un。
un.i = 0x11223344;：将十六进制值 0x11223344 存储到联合变量 un 的 i 成员中。这将占用 sizeof(int) 字节的内存，并且存储的数据为 0x11223344。
un.c = 0x55;：将十六进制值 0x55 存储到联合变量 un 的 c 成员中。由于联合的所有成员共享同一块内存，这会覆盖 un.i 的低字节。在大多数平台上，int 是 4 个字节（假设是小端序存储），存储 un.i 时，其内存布局为 44 33 22 11（从低地址到高地址）。当将 0x55 存储到 un.c 时，它会覆盖 un.i 的低字节，也就是将 44 替换为 55。因此，最终 un.i 的内存布局变为 55 33 22 11。

面试题：

判断当前计算机的大小端存储

在这里插入图片描述

这里也可以巧妙运用联合体去算：
在这里插入图片描述

因为 i 和 c 共用一个字节，char包含在int里面

9.3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];//1
 int i;//4
 //这里最大对齐数是4，由于char是个数组，其占5个字节，5不是最大对齐数1的整数倍，所以要凑满8
};
union Un2
{
 short c[7];//2
 int i;//4
 //同理上面，最大对齐数是4，short是一个数组，2*7=14；14不是4的倍数，所以要凑满16
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16

在这里插入图片描述

原文地址：https://blog.csdn.net/2401_87711435/article/details/145249386

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C语言_自定义类型（结构体，枚举，联合）

本章重点

1.结构体

1.1结构体的声明

2.结构的自引用

3.结构体变量的定义和初始化

4.结构体内存对齐

5.修改默认对齐数

6.结构体传参

7.位段

8.枚举

8.1枚举的优点

8.2枚举的使用

9.联合（共用体）

9.1联合类型的定义

9.2联合的特点

9.3联合大小的计算

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