C的自定义类型

前言

本篇文章主要介绍C语言的一些自定义类型，比如：结构体、枚举、联合
数组在存放数据时，数据类型要求单一，而结构体可以存放不同类型的数据

一、结构体

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量

1.1 结构体的声明

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
}; 

例如定义一个二叉树

struct TreeNode
{
	int val;
	struct TreeNode* left;  //左子树
	struct TreeNode* right; //右子树
};

1.2 匿名结构体（特殊声明）

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20],*p;

 p = &x;  //是不合法的，编译器会把上面两个声明当成完全不同的两个类型

#include <stdio.h>    

struct person    
{    
    char    *name;    
    char     gender;    
    int      age;    
    int      weight;    
    struct  
    {    
        int  area_code;    
        long phone_number;    
    };   
};    

int main(void)    
{  
    struct person jim = {"jim", 'F', 28, 65, {21, 58545566}};  
    printf("%d\n", jim.area_code);       
}   

不使用匿名结构体，则上述例子对应如下:

#include <stdio.h>    

struct phone  
{  
    int  area_code;  
    long phone_number;  
};  

struct person    
{    
    char        *name;    
    char         gender;    
    int          age;    
    int          weight;    
    struct phone office;  
};    

int main(void)    
{  
    struct person jim = {"jim", 'F', 28, 65, {21, 58545566}};  

    printf("%d\n", jim.office.area_code);       
}   

使用匿名结构体，结构体对象 jim 可以通过 jim.area_code 直接访问匿名结构体成员变量 area_code，代码相对比较简洁

反之则必须通过 jim.office.area_code 来访问结构体成员变量

1.3 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
struct Point n1 = {1,2}; //定义变量并初始化

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

1.4 结构体内存对齐

1.如何计算结构体所占内存的大小（单位字节）
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
3. 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默认为8）
4. 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
5. 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，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

2.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。

设计结构体的时候，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

//例如：
#include<stdio.h>
struct s1    //对齐数默认是8
{
	char c1;   //对齐数1和8相比，较小为1
	int i;    //对齐数4和8相比，较小为4
	char c2;  //对齐数1和8相比，较小为1
};          //struct s1的大小是4的倍数，1+3+4+1=9,不足4的倍数，
            //所以struct s1的大小为12
struct s2
{
	char c1;  //对齐数1和8相比，较小为1
	char c2;  //对齐数1和8相比，较小为1
	int i;    //对齐数4和8相比，较小为4
};  // struct s2的大小是4的倍数，1+1+2+4=8，所以struct s2的大小为8
int main()
{
	printf("%d\n",sizeof(struct s1));
	printf("%d\n",sizeof(struct s2));
	return 0;
}

s1和s1类型的成员一模一样，但是s1和s2所占空间的大小却不一样

offsetof(struct name,member)函数可以看到成员相对于首地址的偏移量
offsetof函数的使用和宏实现

1.5 结构体传参

结构体传参有两种：传结构体变量、传结构体指针

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，函数传参的时候，参数是需要压栈的，会有时间和空间上的开销。如果传递一个过大的结构体，参数压栈的系统开销比较大，会导致性能的下降

二、位段

位段和结构体的声明是类似的，有两个不同：

1. 位段成员必须是int、unsigned int或signed int
2. 位段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，sizeof(struct A)=8，为什么是8呢？

2.1 位段的内存分配

1. 位段成员可以是int、unsigned int或signed int或者是char（属于整型家族）类型
2. 位段空间上是按照需要以4个字节(int)或者1个字节(char)的方式开辟的
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

这就可以回答上述问题：a和b变量占用两个字节,c占用两个字节,d占用4个字节加起来8个字节

//例如：这个结构体就占了3个字节,a和b占用一个字节,c占用一个,d占用一个
struct S
{
	char a:3;
	char b:4;
	char c:5;
	char d:4;
};
struct S = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

2.2 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位机器上会出问题）
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

跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，可以很好的节省空间，但是有跨平台问题

三、枚举

之前文章中讲过，常量有4种：字面常量、const修饰的常量、#define定义的标识符常量
还是枚举常量

3.1 枚举类型的定义

num 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

1. { }中的内容是枚举类型的可能取值，也叫枚举常量
2. 常量成员默认从0开始，一次递增1，也可以在定义的时候赋值

例如：

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

3.2 枚举的使用

enum Color
{
	REED,
	BLUE,
	GREEN = 5
};
int main()
{
	enum Color clr = REED; //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 = 6;
	printf("%d\n", BLUE);  //1
}

四、联合（共用体）

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;
 //计算联合变量的大小
 printf("%d\n",sizeof(un));  //4

4.1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）

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

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

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