10道经典例题手撕C语言字节问题：结构体、共用体（联合体）、字节对齐、位段位运算

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构造型数据类型与应用

文章目录

构造型数据类型与应用
前言
一、学习内容：
二、正文部分（以下问题皆为输出的结果）
总结

前言

很多文章老是只讲概念不讲例题，或者说就讲一两道，初学者不容易总结规律，我总结了10道经典例题，如果同学们能明白例题，那么相关概念再看就会清楚许多了。这10道例题都是我在老师的云班课、实验报告册上精心总结改编而来的，题目质量很不错，图文结合

提示：最重要的是画图理解字节！

一、学习内容：

结构体与共用体的内容存储方式及其区别
结构体与共用体的字节对齐
结构体与位段的结合例题
位运算

二、正文部分（以下问题皆为输出的结果）

1.结构体与共用体的内容存储方式及其区别

（1）例1：共用体的数据的具体存储方式（联系二进制）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
union unit
{
	int a;
	char c[3];	
}; 
int main()
{
	union unit T;
	T.a=1;
	printf("%d %d\n",T.c[0],T.c[1]);
}

共同体与结构体最大的不同是，共用体是将逻辑相斥的数据类型组合在一起，这些不同类型的成员在内存中所占用的起始单元是相同的，因此，用共用体会省空间，但是也会涉及到一个字节覆盖问题。

在这里插入图片描述

首先，我建议画字节的时候从右往左画，这是因为咱们写二进制数的时候，二进制的最低位在最右边。
其次，根据共用体中定义数据类型的顺序依次从上往下画。
然后我们来分析一下这个具体过程。
T.a=1时会让int a这4个字节被赋值为0000…（一串0）01，这是1的二进制数，于此同时，char c[3]这三个字节会被覆盖，这是因为它们起始内存单元是相同的，会共同占据一定的空间。注意：我分开int a 与char c[3]画图是为了方便观察分析，实际上，它们是重叠在一起的，共同使用前三个字节。因此，char c[3]这三个字节会被覆盖，其字节同样被赋值为0000…（一串0）01。
最后，c[0]处的二进制为00000001，c[1]为00000000.（从右往左的序号是0，1，2），故输出 1 与 0.
答案：1 0

例2：共用体的数据的具体存储方式（联系二进制）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
union example
{
	char nA;
	int nB;
	
}e;
int main()
{
	e.nA='a';
	printf("%d\n",e.nB);
	e.nB=128;
	e.nB=e.nA+e.nB;
	printf("%d",e.nB);
} :

这道题略有些绕，而且容易出错，待我慢慢分析。
大家可以一起试着画图
第一次赋值e.nA=‘a’;实际上赋值的ASCII码为97，其二进制为01100001，由于共用体共用一段内存，故nB的二进制也被赋值为了01100001（注：左边三个字节没有被覆盖到的，二进制默认为0）。直接输出e.nB，那么也会是97.
第二次赋值e.nB=128,其二进制为10000000，在int类型中貌似没什么特殊的，但是，在只有1个字节的char中，它只能存8位二进制数，取值范围是-128~127，并且首位二进制数为符号位，1为负，0为正。127的二进制数为01111111，加1之后是10000000，即-128而非128！所以，将e.nA的实际数值是-128
最后，e.nA加e.nB即是-128+128，即为0。输出0
- 答案： 97 0

（2）例3：共用体与结构体的共同作用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct ex
{
	union un
	{
		int a;
		int b;
	}in;
	int x;
}e;
int main()
{
	e.x=10; 	e.in.a=3;
	e.x=e.in.a+e.in.b;
	printf("%d %d",e.x,e.in.a);
}

区别：结构体成员的存储空间是连续的，共用体成员的存储空间是共用的
故画图如下：
第一次赋值e.x=10;不影响共用体。
第二次赋值e.in.a=3;会影响共用体，但是不影响结构体。覆盖e.in.b为3.
第三次赋值直接数值相加即可，e.x=3+3=6。
- 答案：6 3

2.结构体与共用体的字节对齐

字节对齐原则：字节为数据基本类型的字节的整数倍，比如int，double,float,long int,char，依据这个补字节*

（1）例4：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
typedef union
{
	double i;
	int k[5];
	char c;
}DATE;
DATE max;

struct date
{
	int cat;
	DATE cow;
	double dog;
}too;

int main()
{
	printf("%d",sizeof(struct date)+sizeof(max));
}

在这里插入图片描述

在共用体DATE max中：double i占据8个字节，int k[5]占据4*5=20个字节，char c占据1个字节。按共用体的共占据内存来说，应该占据数据成员最大字节数即20个字节，但是实际上，由于字节对齐原则，会将字节补至数据基本类型的字节的整数倍，即这个总的字节既要是double的整数倍，又要是char的整数倍，（注：数组不是基本数据类型，是叠加起来的数据类型了），故：应该字节补齐至24个字节
在结构体struct date中：int cat占据4个字节，DATE cow占据24个字节，double dog占据8个字节，按结构体的数据成员连续占据内存规则来说，应该是将各个字节数相加，即4+24+8=36个字节。但是实际上，由于字节对齐原则，要补至double与int类型的整数倍，故补齐至40个字节
最后24+40即可
答案：64

例5：将上述代码的char c改为int c，你是否会做呢？

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
typedef union
{
	double i;
	int k[5];
	int c;
}DATE;
DATE max;

struct date
{
	int cat;
	DATE cow;
	double dog;
}too;

int main()
{
	printf("%d",sizeof(struct date)+sizeof(max));
}

思考过程留给大家

- 答案：64

3.结构体与位段的结合例题

鉴于大家对位段可能不太熟悉，先复习一遍
①位段只能用于unsigned或int类型
②“:”冒号之后的数字必须是1~8范围内的数
③位段成员不能是数组
④unsigned:0有特殊含义，使紧随其后的下一个位段成员存储在新起的一个字节里，无论上一个字节多少位
⑤一个位段成员必须存储在一个字节单元内，不能跨单元
⑥可以为位段类型定义无名成员
（1）例6：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
struct ks
{
	int a:4;
	int b:3;
};
int main()
{
	struct ks e;
	e.b=3;
	e.b++;
	printf("%d %d",sizeof(e),e.b);
}

虽然a只取4位二进制数，b只取3位二进制数，看起来连1个字节也不到（注：1个字节可以存8位二进制数），但是由于int占4个字节，位段只是将好几个int型变量压缩至一个int存储单元，存不满就存到一个int里，存不下就存至下一个int存储单元。故一共还是占4个字节。
e.b的分析如图

答案：4 -4

（2）例7：

#include<stdio.h>
struct bitdata{
	unsigned a:2;
	unsigned b:3;
	unsigned:0;
	unsigned c:3; 
};
int main()
{
	printf("%d",sizeof(bitdata));
}

由于unsigned : 0，故存完a,b后舍弃剩余的unsigned空间，存到下一个unsigned中，故输出8
答案：8

（3）例8：

#include<stdio.h>
struct bitdata{
	unsigned a:2;
	unsigned b:3;
	unsigned:24;
	unsigned c:3; 
};
int main()
{
	printf("%d",sizeof(bitdata));
}

首先，位段允许无名成员。
其次，2+3+24+3=32。刚好存满unsigned的4个字节，故输出4
答案：4

（4）例9：

#include<stdio.h>
struct bitdata{
	unsigned x:2;
	unsigned y:3; 
}a;
int main()
{
	a.x=11;
	a.y=15;
	printf("%x\n",a.x+a.y);
}

注意，unsigned是无符号的，因此二进制的最高位不是符号位。
根据上图，a.x的周期为4，a.y的周期为8，故a.x=11等价于十进制中的3，a.y=15等价于十进制中的7，故加起来为10
最后注意输出%x是十六进制的意思，10的十六进制为a。故输出a
- 答案：a

4.位运算

先复习一下位运算：
位运算：对象是二进制
①按位与&
②按位或|
③按位异或^
④按位取反~
⑤按位左移<<：低位补0高位舍弃
⑥按位右移>>：正数：低位舍弃高位补0。负数：有的编译系统会补0（逻辑右移），有的编译系统补1（算数右移），VC++与GCC（我用的）均采用算数右移，比如-2>>2的值为1
（1）例10：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a,b;
	a=520;
	a=a>>8;
	b=~(~0<<4);
	printf("%d",a&b);
}

在这里插入图片描述

熟练掌握位运算的规则和二进制与十进制的转换即可。

答案：2

总结

实际上，以上的内容只是在考试中有用，实际中，可能不会有太大的用处，不过多懂一些总是好的
最后，如果这篇文章对你有帮助，就点个大拇指吧！
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