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C语言进阶—自定义类型：结构体，枚举，联合

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言进阶—自定义类型：结构体，枚举，联合

引用

来源

https://cloud.tencent.com/developer/article/2428041

本文详细介绍了C语言中的自定义类型，包括结构体、枚举和联合。文章内容专业且深入，适合有一定C语言基础的开发者阅读。

1. 结构体

1.1 结构体类型的声明

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。

结构的声明，例如描述一个学生：名字，年龄，性别，学号等

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

注意：

struct Student { char name[20]; int age; char sex[5]; float score; } s1, s2, s3; // s1, s2, s3 是三个结构体变量 - 全局变量
但是
int main() { struct Student s4, s5, s6; // s4, s5, s6 是三个结构体变量 - 局部变量
return 0; }

特殊的声明，在声明结构的时候，可以不完全的声明，称为匿名结构体；例如：下面的两个结构2在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

//匿名结构体类型
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}x;
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}a[20], *p;

在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？ p = &x; 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。

1.2 结构的自引用

正确自引用方式：

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

特殊写法：

typedef struct Node
{
    int data;//存放数据-数据域
    struct Node* n;//存放下一个节点的地址-指针域
}Node;

1.3 结构体变量的定义和初始化

如下代码定义结构体初始化：

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1 = {1,2};//声明类型的同时定义变量p1
struct Point p3 = {4,5};//初始化：定义变量的同时赋初值
struct Stu//类型声明
{
    char name[15];//名字
    int age;
};
struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
};
int main()
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    struct Point p2 = {a, b};
    struct Stu s = { "zhangsan", 20 };
    struct Stu s2 = { .age=18, .name="如花"};
    printf("%s %d\n", s.name, s.age);
    printf("%s %d\n", s2.name, s2.age);
    struct Node n = { 100, {20, 21}, NULL };//嵌套初始化
    printf("%d x=%d y=%d\n", n.data, n.p.x, n.p.y);
    return 0;
}

1.4 结构体内存对齐

思考：为什么结构体，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呢？

计算结构体的大小

首先得掌握结构体的对齐规则：

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
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=编译器默认的个对齐数与该成员大小的较小值。VS中默认的值为8Linux中没有默认对齐数,对齐数就是成员自身的大小 Linux 境中gcci个编译器是没有默认对齐数的
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，最大对齐数即为该结构体中各个对齐数相比较的最大值)的整数倍。
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。

例如：

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    printf("%d\n", sizeof(struct S4));
    return 0;
}

内存对齐分析：

为什么存在内存对齐?大部分的参考资料都是如是说的：

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。

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。

总体来说：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到：让占用空间小的成员尽量集中在一起呢？

例如：

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};

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

那么我们就要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。

例如：

#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
#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
int main()
{
    //输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}

1.5 结构体传参

有传值调用和传址调用两种，

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。

代码示例如下：

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
void print1(struct S t)
{
    printf("%d %d %d %d\n", t.data[0], t.data[1], t.data[2], t.num);
}
void print2(const struct S * ps)
{
    printf("%d %d %d %d\n", ps->data[0], ps->data[1], ps->data[2], ps->num);
}
int main() 
{
    struct S s = { {1,2,3}, 100 };
    print1(s);//传值调用
    print2(&s);//传址调用
    return 0;
}

1.6 结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

位段的出现是为了节省空间

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。
位段的成员名后边有一个冒号和一个数字,数字表示开辟的空间为几个Bit位

比如：

struct A
{
    int _a:2;
    int _b:5;
    int _c:10;
    int _d:30;
};

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。

为什么为三个字节呢？

位段的跨平台问题

int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大16bit位，32位机器最大4个字节即为32bit位，写成27，在16位机器会出问题。
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。
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

2. 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

2.1 枚举类型的定义—enum

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

但是它的值是固定的不能更改的

2.2 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

2.3 枚举的使用

只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。

不能 clr = 5;

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。

3. 联合

3.1 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;
//计算连个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));

3.2 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;
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%d\n", &(un.i));
printf("%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);

例如：判断当前计算机的大小端存储

int check_sys()
{
    union
    {
        char c;
        int i;
    }u;
    u.i = 1;
    return u.c;//返回1表示小端，返回0表示大端
}
int main()
{
    int ret = check_sys();
    if (ret == 1)
        printf("小端\n");
    else
        printf("大端\n");
    return 0;
}