手撕C语言进阶---自定义类型：结构体，枚举，联合

最新推荐文章于 2024-04-18 18:23:29 发布

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本文详细介绍了C语言中的结构体与联合的概念、声明、使用及注意事项等内容，并通过实例帮助理解结构体内存对齐、位段、枚举等高级特性。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

结构体

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。

前面初阶阶段我们介绍过结构体。如果我们要描述一个人的信息，一本书的信息等等...C语言中没有对应的类型可以描述。所以对于这些复杂的对象C语言中给了我们结构体用来描述这些对象。

结构的声明

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

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

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;//变量只能在这里创建，不能再main函数中创建

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;//不合法，因为上面两个结构体的类型不相同

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。

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？

//代码1
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//可行否？
//如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

答案是不能，结构体中可以包含其他结构体或者结构体的地址，但不能包含本身。

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;//typedef可重命名结构体，但重命名之后只能在该结构体之后使用
}Node;
//这样写代码，可行否？
//解决方案：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

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 Point
{
    int x;
    int y;
}p1; //声明类型的同时定义变量p1
struct Point p2; //定义结构体变量p2
//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

//当然也可以在main函数内部初始化
int main()
{
    struct Node n3 = {30, {7, 8}, NULL};
    return 0;
}

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：

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
Linux中的默认值为4

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。

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//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));

练习1：

练习2：

从上述两个练习中我们可以发现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。所以我们在声明结构体时为了减少空间的浪费，尽量将同类型的成员变量放在一起。

练习3：

练习4：

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，避免下次使用时出现错误
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为8
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));//12
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
    return 0;
}

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。

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，在栈上会创建同等大小的空间
    print2(&s); //传地址，根据地址找到该结构体，不会创建空间
    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。

位段

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？

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

注：冒号后面的数字代表该变量需要byte的空间，且内存每次创建空间是以字节为单位创建.

所以A的大小是6个字节。

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。

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。

位段的应用

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
颜色也可以一一列举。

这里就可以使用枚举了。

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 Color
{
    RED,
    GREEN,
    BLUE
};
int main()
{
    
    printf("%d\n", RED);
    printf("%d\n", GREEN);
    printf("%d\n", BLUE);
}

enum Color
{
    RED,
    GREEN =5,
    BLUE
};
int main()
{
    
    printf("%d\n", RED);
    printf("%d\n", GREEN);
    printf("%d\n", BLUE);
}

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

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

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??

枚举变量在初始化之后，不能再次赋值！

联合（共用体）

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));

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("0x%d\n", &(un.i));
printf("0x%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);

从结果中可以看出变量i和c的地址相同，所以他们使用的是同一块空间，只不过c使用了1个字节，而i使用了4个字节。

面试题：

判断当前计算机的大小端存储

union Un
{
    int i;
    char c;
}Un;

int main()
{
    Un.i = 1;
    if (Un.c == 1)
    {
        printf("小端\n");
    }
    else
    {
        printf("大端\n");
    }
}

如图：假设以小端方式储存

初始化i为1，那么在内存中以十六进制表示为0x00000001，如果机器是以小端储存，那么数据的地位存放在内存的低地址处，高位存放在高地址处。如果我们再以c的类型将数据取出，就只会取出一个字节的数据放进c中，这时如果取出的是低位的数据，那么就是小端；如果是高位的数据，就是大端。 (注：初始化需合理即高位和低位的数据要不相同)

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;
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16

Un1:c数组占5个字节，整型i占4个字节，对齐数为4(int)，5不是对齐数的整数倍，所以该联合体的大小为8(4*2)；

Un2:c数组占14个字节，整型i占4个字节，对齐数为4(int),14不是对齐数的整数倍，所以该联合体的大小为16(4*4)。