C语言深入学习 --- 4.自定义类型(结构体+枚举+联合)

第四章 自定义类型：结构体，枚举，联合

• 结构体

1. 结构体类型的声明

2. 结构的自引用

3. 结构体变量的定义和初始化

4. 结构体的内存对齐

5. 结构体实现位段（位段的填充 和 可移植性）

• 枚举

1. 枚举类型的定义

2. 枚举的优点

3. 枚举的使用

• 联合

1. 联合类型的定义

2. 联合的特点

3. 联合的大小计算

1.结构体的声明

1.1结构体的基本概念

结构体是存放不同类型变量的元素集合。

1.2 结构的声明

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

例：描述一本书

struct Book
{char BookName[20];int BookId;int price;
};

1.3 特殊的声明

在声明结构时，可以不完全的声明。

如下：

//匿名结构体类型  
//注意：只能使用一次，它的局限性。
struct
{int a;char ch;double b;
}n;struct
{int a;char ch;double b;
}*p;int main()
{p = &n;return 0;
}

以上两个结构体在声明的时候省略掉了标签(tag)。

注意：p = &n;

在编译器的角度里，它是非法的，编译器会把上面两个声明当成不同的类型。

1.4 结构体的自引用

错误方式：

struct Node
{int data;struct Node n;
};

正确方式：

struct Node
{int data;struct Node* n;  //[数据域 | 指针域]
};

注意：

typedef struct
{int data;Node* n;
}Node;  //这样写其实是不行的。typedef struct Node
{int data;struct Node* n;
}Node;  //这样写可行。

1.5 结构体变量的定义和初始化

struct p
{int x;int y;
}p1;        //声明类型的同时定义变量p1
struct p p2;//定义结构体变量p2struct p p3 = { 0 ,0 }; //结构体变量初始化
//全局变量
struct Student
{char name[20];int age;int id;char sex[5];
};struct Student s1 = { "小明", 18, 123456, "男" }; //初始化struct Node
{int data;struct p p4;struct Node* n;
}n1 = { 9, {3, 1}, NULL }; //结构体嵌套初始化
int main()                 //在主函数内定义的结构体变量是局部变量
{struct Student s2 = { "小红", 18, 123457, "女" }; //初始化struct Node* n2 = &n1;//.//->printf("%s %d %d %s\n",s2.name, s2.age, s2.id, s2.sex);printf("%d %d %d %p\n",n2->data, n2->p4.x, n2->p4.y, n2->n);return 0;
}

1.6 结构体内存对齐

结构体的内存对齐规则：

1.第一个成员在与结构体偏移量为0的地址。

2.其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的地址。

对齐数：该成员的大小与编译器默认的对齐数中取较小值。

VS编译器默认对齐数为8。

3.结构体的总大小是最大对齐数(每个成员都有一个对齐数)的整数倍。

4.如果嵌套了结构体，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小是所有最大对齐数(包含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。

1.6.1 内存对齐存在的意义

1.平台原因(移植原因)：

不是所有的硬件平台都能够任意访问地址上的任意数据的，某些硬件只能在某些地址取某些特定类型的数据，不然会出现硬件异常的问题。

2.性能原因：

数据结构(特别是栈)应该尽量地在自然边界上对齐。

因为为了访问未对齐的内容，处理器需要做两次内存访问；对齐的内容访问就只需要一次访问就够了。

总结：

结构体的内容对齐是拿空间来换取时间的做法。

在设计结构体时，既要满足对齐，又要节省空间。

应该让占用空间小的成员尽量集中在一块。

例：

struct s1
{char c;int a;char b;
};struct s2
{char c;char b;int a;
};//s1和s2类型的成员是一样的，但是它们所占空间的大小不一样。

1.6.2 练习

#include <stdio.h>//练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};//练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};//练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32return 0;
}

1.7 修改默认对齐数

#pragma这个预处理指令，可以改变默认对齐数。

#include <stdio.h>#pragma pack(1)  //设置对齐数为1
struct s1 
{char a;int b;char c;
};
#pragma pack(0)  //取消设置对齐数，还原为默认。#pragma pack(2)
struct s2
{char a;int b;char c;
};
#pragma pack(0)int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct s1));printf("%d\n", sizeof(struct s2));return 0;
}

总结：

结构在对齐方式不合适的时，可以自己修改默认对齐数。

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

1.8 结构体传参

#include <stdio.h>struct Node
{int date[100];int num;
};struct Node n = { {1,2,3,4,5,6}, 7 };void print1(struct Node n)
{printf("%d\n", n.num);
}void print2(struct Node* n)
{printf("%d\n", n->num);
}int main()
{print1(n);print2(&n);return 0;
}

以上代码中的print1和print2函数哪个更好呢？

首先选择print2函数。

原因：

函数传参时，参数需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。

如果传递一个过大的结构体的对象时，参数压栈的系统开销较大，会导致性能下降。

总结：

结构体传参时，最好传结构体的地址。

2.位段

2.1 位段的定义

位段的声明和定义与结构体是相似的，有以下两点不同：

1.位段的成员必须是int、unsigned int 或者 signed int。

2.位段的成员后边会有一个冒号和一个数字。

struct E
{int _a : 1;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 20;
};

这里的E就是一个位段类型。

来看以下位段E的大小：

printf("%d\n", sizeof(struct E));  //8

2.2 位段的内存分配

• 位段的成员可以是int unsigned int signed int 或者 char（整型家族）类型。

• 位段的空间按照需要以4个字节(int)或者是1个字节(char)来开辟的。

• 位段涉及较多不确定因素，位段不跨平台，注重可移植的程序应该避险使用。

#include <stdio.h>struct X
{char a : 3;char b : 5;char c : 2;char d : 4;
};struct X x = { 0 };int main()
{x.a = 12;x.b = 16;x.c = 9;x.d = 8;printf("%d\n", sizeof(struct X)); //2return 0;
}

2.3 位段的跨平台问题

1.int位段是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。(比如16位的机器，写成22，在16位机器会出现问题)

3.位段中的成员在内存中是从左向右开始分配 的，还是从右到左分配标准尚未定义。

4.当一个结构体包含了两个位段，第二个位段成员较大，无法容纳第一个位段剩下的空间时，是舍弃剩下的空间还是继续使用，这也是无法确定的。

总结：

跟结构体相比，位段可以做到同样的效果，可以很好的节省空间，但是存在跨平台的问题。

2.4 位段的应用

作用：能够节省空间。

3. 枚举

3.1 枚举类型的定义

enum Color
{GREEN,RED,YELLOW,BLACK
};enum Day
{Mon,Tues,Wed,Thur,Fri,Sat,Sun
};

以上定义的enum Day, enum Color就是枚举类型。

{}中内容是枚举类型中的可能取值，也称为枚举常量。

它们都是有值的，默认是从0开始，依次递增1，在定义时也可以赋初始值。

enum Color
{GREEN = 2,RED = 3,YELLOW = 4,BLACK = 5
};

3.2 枚举的优点

1.可增加代码的可读性和可维护性。

2.与#define定义的标识符对比，它有类型检查，更加严谨。

3.防止命名污染(封装)。

4.方便调试。

5.使用时方便，一次可以定义多个常量。

3.3 枚举的使用

enum Color
{GREEN = 2,RED = 3,YELLOW = 4,BLACK = 5
};enum Color C = BLACK;
C = 5; //这种写法是错误的，有类型的差异,要用枚举常量给枚举变量赋值。

4.联合(共用体)

4.1 联合类型的定义

该类型定义的变量包含一系列的成员，但这些成员公用同一块空间。

union un   //联合体类型的声明
{char c;int i;
};int main()
{union un u;  //联合体变量的定义printf("%d\n", sizeof(u)); //4return 0;
}

4.2 联合的特点

联合体的成员公用一块空间，一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小。

union un   //联合体类型的声明
{char c;int i;
};int main()
{union un un;printf("%d\n", &(un.i)); //18087412printf("%d\n", &(un.c)); //18087412un.i = 0x11223344;       //11223347un.c = 0x47;             //47printf("%x\n", un.i);printf("%x\n", un.c);return 0;
}

面试题：

判断当前计算机的大小端存储。

#include <stdio.h>int check_sys()
{union un{char c;int i;}u;u.i = 1;return u.c;
}int main()
{int ret = check_sys();if (ret){printf("小端\n");}else{printf("大端\n");}return 0;
}

4.3 联合大小的计算

联合大小至少是最大成员的大小，当最大成员不是最大对齐数的整数倍时，就需要对齐到最大对齐数的整数倍。

#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)); //8printf("%d\n", sizeof(union Un2)); //16return;
}
union Un2));

5.练习

通讯录

test.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1//通讯录
//1.能存放1000个人的信息
//每个人信息：姓名+年龄+性别+电话+地址
//2.增加人的信息
//3.删除指定的人的信息
//4.修改指定的人的信息
//5.查找指定的人的信息
//6.排序通讯录的信息#include "Contact.h"enum Option
{EXIT,ADD,DEL,MODIFY,SEARCH,SORT,PRINT
};void menu()
{printf("********************************************************\n");printf("********** 1.add        2.del   ****************\n");printf("********** 3.modify        4.search****************\n");printf("********** 5.sort        6.print ****************\n");printf("********** 0.exit               *************\n");printf("********************************************************\n");
}int main()
{int input = 0;Contact con;Init_Contact(&con);do{menu();printf("请选择:>");scanf("%d", &input);switch (input){case ADD:Add_Contact(&con);break;case DEL:Del_Contact(&con);break;case MODIFY:Modify_Contact(&con);break;case SEARCH:Search_Contact(&con);break;case SORT:break;case PRINT:Print_Contact(&con);break;case EXIT:return;break;default:printf("选择错误，请重新选择:>");break;}} while (input);}

Contact.c

#include "Contact.h"static int Find_ByName(Contact* c,char name[])
{int i = 0;for (i = 0; i < c->sz; i++){if (strcmp(c->data[i].name ,name) == 0){return i;}}return -1;
}void Init_Contact(Contact* c)
{c->sz = 0;memset(c->data, 0, sizeof(c->data));
}void Add_Contact(Contact* c)
{if (c->sz == 1000){printf("通讯录已满，无法增加\n");return;}printf("请输入名字:>");scanf("%s",c->data[c->sz].name );printf("请输如年龄:>");scanf("%d", &(c->data[c->sz].age));printf("请输入性别:>");scanf("%s", c->data[c->sz].sex);printf("请输入电话:>");scanf("%s", c->data[c->sz].tele);printf("请输入地址:>");scanf("%s", c->data[c->sz].addr);c->sz++;printf("增加成功\n");
}void Print_Contact(const Contact* c)
{int i = 0;printf("%-10s\t%-5s\t%-8s\t%-15s\t%-20s\n", "姓名","年龄","性别","电话","地址");for (i = 0; i < c->sz; i++){printf("%-10s\t%-5d\t%-8s\t%-15s\t%-20s\n", c->data[i].name,c->data[i].age, c->data[i].sex, c->data[i].tele, c->data[i].addr);}
}void Del_Contact(Contact* c)
{char name[MAX_NAME] = { 0 };if (c->sz == 0){printf("通讯录为空，无法删除\n");}printf("请输入你要删除的信息:>");scanf("%s", name);int pos = Find_ByName(c, name);if (pos == -1){printf("你要删除的信息不存在\n");}for (int i = 0; i < c->sz - 1; i++){c->data[i] = c->data[i + 1];}c->sz--;printf("删除成功\n");
}void Modify_Contact(Contact* c)
{char name[MAX_NAME] = { 0 };printf("请输入你要修改的信息:>");scanf("%s", name);int pos = Find_ByName(c, name);if (pos == -1){printf("你要修改的信息不存在\n");}else{printf("请输入名字:>");scanf("%s", c->data[pos].name);printf("请输如年龄:>");scanf("%d", &(c->data[pos].age));printf("请输入性别:>");scanf("%s", c->data[pos].sex);printf("请输入电话:>");scanf("%s", c->data[pos].tele);printf("请输入地址:>");scanf("%s", c->data[pos].addr);printf("修改成功\n");}}void Search_Contact(Contact* c)
{char name[MAX_NAME] = { 0 };printf("请输入你要查找的信息:>");scanf("%s", name);int pos = Find_ByName(c, name);if (pos == -1){printf("你要查找的信息不存在\n");}else{printf("%-10s\t%-5s\t%-8s\t%-15s\t%-20s\n", "姓名", "年龄", "性别", "电话", "地址");printf("%-10s\t%-5d\t%-8s\t%-15s\t%-20s\n",c->data[pos].name,c->data[pos].age,c->data[pos].sex,c->data[pos].tele,c->data[pos].addr);}
}

Contact.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include <stdio.h>#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX 8
#define MAX_TELE 15
#define MAX_ADDR 30
#define MAX 1000typedef struct PeoInfo
{char name[MAX_NAME];int age;char sex[MAX_SEX];char tele[MAX_TELE];char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;typedef struct Contact
{PeoInfo data[MAX];int sz;
}Contact;void Init_Contact(Contact* c);
void Add_Contact(Contact* c);
void Print_Contact(const Contact* c);
void Del_Contact(Contact* c);
void Modify_Contact(Contact* c);
void Search_Contact(Contact* c);

上一章：C语言深入学习 — 3.字符函数和字符串函数

配套练习：

C语言练习题110例(一)
C语言练习题110例(二）
C语言练习题110例(三)
C语言练习题110例(四)
C语言练习题110例(五)
C语言练习题110例(六)
C语言练习题110例(七)
C语言练习题110例(八)
C语言练习题110例(九)
C语言练习题110例(十)
C语言练习题110例(十一)