【C语言进阶】自定义类型：结构体，枚举，联合

1.结构体

1.1结构体类的基础知识

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

例如描述一个学生：

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}; //分号不能丢

1.3特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明

//匿名结构体类型
struct 
{char name[20];char author[12];float price;
}b1, b2;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）

当我们使用匿名结构体时，以下做法合理么？

struct
{char name[20];char author[12];float price;
}b;
struct
{char name[20];char author[12];float price;
}* p;
int main()
{p = &b;//不建议这样写return 0;
}

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。

1.4结构的自引用

//错误自引用
struct Node
{int data;struct Node next;
};
//正确自引用
struct Node
{int data;struct Node* next;
};

1.5结构体变量的定义和初始化

struct Point
{int x;int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1，p1为全局变量
struct Point p2; //定义结构体变量p2，p2为局部变量
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = { x, y };
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

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
首先得掌握结构体的对齐规则：

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。
   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没有对齐数，对齐数就是自身大小
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。
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。
   案例一：

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

运行结果：

分析：

案例二：

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

运行结果：

分析：

案例三：

struct S3
{double d;char c;int i;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S3));return 0;
}

运行结果：

分析：

案例四：

//练习4 - 结构体嵌套问题
struct S3
{double d;char c;int i;
};
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S4));return 0;
}

运行结果：

分析：

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。

补：offsetof（可以计算结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量）

offsetof案例：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{char c1;//1int i;//4char c2;//1
};
int main()
{struct S1 s1 = { 0 };printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));return 0;
}

运行结果：

1.7修改默认对齐

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。

#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{char c1;//1 1 1int a; // 4 1 1char c2;//1 1 1
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

运行结果：

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

代码案例：
struct S
{int data[100];int num;
};
//结构体传参
void print1(struct S tmp)
{printf("%d\n", tmp.num);
}
//结构体地址传参
void print2(const struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{struct S s = { {1,2,3}, 100 };print1(s);print2(&s);return 0;
}

运行结果：

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.段位

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

2.1什么是段位

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。

代码案例：
struct A
{int _a : 2;//二进制位int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct A));return 0;
}

A就是一个位段类型。
那位段A的大小是多少？

运行结果：

2.2段位的内存分配

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。

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;printf("%d\n", sizeof(s));return 0;
}

空间是如何开辟的？

运行结果：

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

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。
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

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。

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

3.2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：

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
{RED,//0GREEN,//1BLUE//2
};
#define RED 0
int main()
{enum Color c = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值enum Color cc = 3;//.c文件中允许，.cpp文件中不允许return 0;
}

4.联合

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）。

//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;//计算连个变量的大小printf("%d\n", sizeof(un));return 0;
}

运行结果：

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
{char c;int i;
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(union Un));union Un un = { 0 };un.i = 0x11223344;un.c = 0x55;printf("%p\n", &un);printf("%p\n", &(un.i));printf("%p\n", &(un.c));return 0;
}

&un:

运行结果：

面试题：
判断当前计算机的大小端存储

int check_sys()
{union{int i;char c;}un = {.i = 1};return un.c;
}int main()
{int ret = check_sys();if (ret == 1)printf("小端\n");elseprintf("大端\n");return 0;
}

运行结果：

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：

代码案例：
union Un1
{char c[5];//5 1 8 1int i;//4 8 4
};
union Un2
{short c[7];//14 2 8 2int i;//4 4 8 4
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(union Un1));//5+3 = 8printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16return 0;
}

运行结果：

💘不知不觉，自定义类型：结构体，枚举，联合以告一段落。通读全文的你肯定收获满满，让我们继续为C语言学习共同奋进!!!