从0开始学c语言-32-自定义类型：结构体，枚举，联合

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目录

1` 结构体

1`2 结构体声明

特殊的声明

1`3 结构的自引用

重命名 

1`4 结构体变量的定义和初始化

1`5 结构体内存对齐（求大小）

练习1：

练习2：

练习3： 

 练习4：

计算偏移量

为什么存在内存对齐?

设计结构体：

1`6 修改默认对齐数

1`7 结构体传参

2`  位段

2`1 位段声明

位段大小

2`2 位段的内存分配

2`3 位段的跨平台问题

2`4 位段的应用

3` 枚举

3`1 枚举类型的定义

3`2 枚举的优点

3`3 枚举的使用

4` 联合（共用体）

4`1 联合类型的定义

4`2 联合的特点

判断当前计算机的大小端存储

4`3 联合大小的计算

---

开始之前请注意最重要的一点：

        这是自定义类型，它是一种数据类型，是一种让编译器知道该如何分配你传递过来的数据的数据类型，只不过这种类型是你自定义的。而这种类型的声明是并不会向内存申请分配空间的，只有你在把它变为自定义类型（结构体、枚举、联合）变量的时候才会分配相应的内存空间，单纯的自定义类型声明并不会占用内存！！！

1` 结构体

之前有写过两篇

从0开始学c语言-22-结构体声明和初始化、结构体大小、结构体成员访问、结构体传参_阿秋的阿秋不是阿秋的博客-优快云博客

从0开始学c语言-10-结构体以及一些作业_阿秋的阿秋不是阿秋的博客-优快云博客

所以结构体这里简单介绍就过了。

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 结构体声明

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

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
{
	int a;
	char k;
	int arr[12];
}s;//依旧可以创建结构体变量
struct
{
	int a;
	char k;
	int arr[12];
}*ps;
int main()
{
	ps = &s; //err
	//虽然成员变量都一样，但是
	//编译器依旧认为这两个不是同一类型的
	return 0;
}

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（ tag ）

注：只能用一次，因为没有结构体tag

1`3 结构的自引用

错误的自引用

struct n
{
	int a;
	struct n k; //计算size会死循环，不能这样
};
//会警告类型不完整

正确的自引用方式是在结构体中创建  指向本结构体  的结构体指针。

struct n
{
	int a;
	struct n* next; 
};

至于怎么自引用，看图。

自引用的原理图

分为指针域和数据域，实际上和数据结构有关。

重命名 

思考如果我们这样重命名行不行

typedef struct
{
     int data;
     Node* next; 
}Node;

这样写不行，因为不知道先有的Node，还是Node指针

应该这样写。

typedef struct Node
{
     int data;
     struct Node* next; 
}Node;

1`4 结构体变量的定义和初始化

struct Point //类型声明
{
     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 Node
{
 int data;
 struct Point p;  //结构体
 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`5 结构体内存对齐（求大小）

虽然我在这篇文章里

从0开始学c语言-22-结构体声明和初始化、结构体大小、结构体成员访问、结构体传参_阿秋的阿秋不是阿秋的博客-优快云博客

写过求结构体大小的方法，但是那个方法没有这个更接近本质。

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 该成员类型大小的较小值。

                                VS中默认的值为8；成员类型大小（数组只看指向类型的大小）；

        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。

练习1：

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

按照上面的规则，算一下这个结构体的大小。

1. 第一个成员在 与结构体变量偏移量 为0的地址处。

struct S1
{
	char c1; //偏移量0
	int i; 
	char c2; 
};

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

struct S1
{
	char c1; //偏移量0
	int i; //该成员大小4，默认对齐数8，4<8,对齐数4
	char c2; //该成员大小1，默认对齐数8,1<8,对齐数1
};

 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。

我喜欢画图判断。先画出我判断的情况。

 我们右边写的0-11是偏移量地址，左边是我的简单计算。（实际上是为了方便和内存中的储存形式对应起来所以才这么写，但是计算起来的话并不方便，所以我改善了一下。）

黑框里是成员大小，红色的是偏移量，你可以再把对齐数写方框下面，不过我懒得写。实际上相当于把0这个偏移量地址抛去了，但是计算结果会正好是结构体的大小。

用的就是我上篇结构体文章写的方法。

第一个成员的偏移量为0，下一个成员的偏移量 = 上一个成员偏移量+上一个成员的大小

结构体变量中，成员的偏移量必须是成员自身对齐量大小的整数倍。（0是任何数的整数倍）

练习2：

struct S2
{
	char c1;
	char c2; //对齐数1
	int i;  //对齐数4
};

        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

依旧是画图判断

练习3： 

struct S3
{
 double d; 
 char c; //对齐数1
 int i;  //对齐数4
};

练习3第三个偏移量写错了，应该是12。忘了变成4的倍数

 练习4：

struct S3
{
 double d; //对齐数8
 char c; //对齐数1
 int i;  //对齐数4
};
struct S4
{
 char c1;  
 struct S3 s3; //最大对齐数8
 double d;  //对齐数8
};

现在看最后一条

 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。

计算偏移量

//计算偏移量
#include <stddef.h>
struct K
{
	char a;
	int k;
	char l;
};
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct K, a));
	printf("%d\n", offsetof(struct K, k));
	printf("%d\n", offsetof(struct K, l));
	return 0;
}

为什么存在内存对齐?

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：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

设计结构体：

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

struct S1
{
 char c1;
 int i;  //对齐数4
 char c2; //对齐数1
};
struct S2
{
 char c1; 
 char c2; //对齐数1
 int i;  //对齐数4
};

 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。

1`6 修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。

#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
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
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

结构在对齐方式不合适的时候，可以自己更改默认对齐数。

1`7 结构体传参

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; }

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。

所以：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

2`  位段

2`1 位段声明

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(代表占的bit位) 。

struct A //A就是一个位段类型
{
     int _a:2; //占2bit
     int _b:5; //占5bit
     int _c:10; //占10bit
     int _d:30; //占30bit
};

2bit可以表示4种情况，用来节省空间

位段大小

struct A //A就是一个位段类型
{
//因a是int类型，便开辟了4byte的空间-32bit
     int _a:2; //占2bit
     int _b:5; //占5bit
     int _c:10; //占10bit
//占了17bit，剩15bit
//不够d用
//又开辟4byte-32bit
     int _d:30; //占30bit
//共8byte
};

2`2 位段的内存分配

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。

下面讨论的内存分配规则只适用于vs编译器：

开辟空间的时候先开辟内存中的低地址，再开辟高地址。（大小端讨论的是字节的顺序）

一个char或者一个int大小的段位，从右向左使用（低位到高位），如果不够下一个使用，就开辟新空间使用。

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;}

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。

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

 这我不会讲，还没学那么多。

3` 枚举

3`1 枚举类型的定义

enum Sex//性别
{
 MALE,
 FEMALE,
 SECRET
}；
enum Color//颜色
{
 RED,
 GREEN,
 BLUE
};

enum Sex ， enum Color 都是枚举类型。枚举类型就是一种类型

{ } 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,  //RED的意思就是常量数字1
 GREEN=2, //GREEN的意思就是常量数字2
 BLUE=4   //BLUE的意思就是常量数字4
};

3`2 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//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;               //err，会发生类型转变

cpp文件下还可以使用限定符：：，限制这个blue来自color。

枚举类型的大小是4byte。

4` 联合（共用体）

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;
};
//联合变量的定义
union Un un;
//计算联合体的大小 - 至少最大成员的大小
printf("%d\n", sizeof(un)); //4byte

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
{
 int i;
 char c;
};
union Un un;
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);

改变两个联合体成员，可能就会影响其他成员。

判断当前计算机的大小端存储

可以直接return *（char*）&a;

这是之前写的，现在用联合体

联合体的妙用：返回1是小端，0是大端

（返回的 u.c是char类型 不用强制转换成int，int接收char绰绰有余）

4`3 联合大小的计算

1`联合的大小至少是最大成员的大小。

2`当 最大成员大小不是最大对齐数的整数 的时候，就要对齐到最大对齐数的整数倍。

union Un1
{
 char c[5]; //对齐数1，占5byte
 int i;  //对齐数4 ，共用4byte
};
union Un2
{
 short c[7]; //对齐数2 ，占14byte
 int i;  //对齐数4 ，共用4byte
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1)); //8
printf("%d\n", sizeof(union Un2)); //16