自定义类型的这些知识你知道吗？C语言超硬核结构体枚举联合体画图+文字详细讲解

news/2024/5/19 0:47:59 标签: 自定义类型, 结构体, 联合体, 枚举

自定义类型详解(结构体+枚举)

数据经常以成组的形式存在。例如，一本书必须指定书名，书的价格，书号。如果这些值能够存储在一起，访问起来会很简单。但是如果这些值的类型不同，它们无法存储在数组当中，在C语言中，使用结构可以把这些不同类型的值存储在一起。

接下来博主将以以下内容进行自定义类型的讲解：

文章目录

结构体

结构体的基础知识

数组是一组相同类型的元素的集合，结构体也是一些值的集合，这些值称为它的成员，结构的每个成员可以是不同类型。

有关结构体的一些基础知识，博主的另一篇文章也介绍了结构体的基础知识，有兴趣可以看一下：结构体

结构体的声明

在声明结构体时，我们需要列出它的所有成员。这个列表包括每个成员的类型和名字

struct Book
{
    char name[20];
    int price;//成员变量
    char id[10];
}b4,b5,b6;//结构体变量，全局变量
int main()
{
    struct Book b1;//b1,b2,b3为局部变量
    struct Book b2;
    struct Book b3;
    return 0;
}

struct是结构体关键字。Book是是结构体的名字，也是标签，大括号里面声明的它的成员，这个声明创建了b4，b5，b6三个结构体变量，它们都包含三个成员：两个字符数组，一个整数，注意它们在声明时创建时是全局变量，而在main函数里面创建的b1，b2，b3变量为局部变量。

结构体的特殊声明

在声明结构体时我们可以匿名结构体类型，将标签省略。请看下面代码：

//匿名结构体类型，将标签省略
struct 
{
    char c;
    int i;
    char ch;
    double d;
}s;//结构体变量
struct 
{
    char c;
    int i;
    char ch;
    double d;
}* ps;//结构体变量
int main()
{
    ps=&s;//error，是不可以的
    //在编译器看来，虽然你们的成员变量是一样的，但编译器认为它们是不一样的结构体类型
    return 0;
}

我们匿名声明结构体时，需要注意：在编译器看来，虽然你们的成员变量是一样的，但编译器认为它们是不一样的结构体类型，这两个声明被编译器当成了两种截然不同的类型因此变量s和变量ps的类型不同，所以ps=&s是非法的。

注意：匿名声明结构体，它只能在声明时创建结构体变量

结构体的自引用

一个结构体的成员可以是一个结构：

struct A
{
    int i;
    char c;
};
struct B
{
    char c;
    struct A sa;
    double d;
};

那么在结构内部包含一个类型为该结构体本身的成员是否合法呢？

struct C
{
  	int d;
    struct C c;//这样是不行的 
};

这种自引用是不正确的，因为成员是c一个完整的结构，其内部还包括它自己的成员c，这第2个成员又是另一个完整的结构，它还将包括它自己的成员c，这样重复下去永无止境。就像一个永远不会终止的递归程序。

正确的结构体自引用如下：

 struct C
 {
     int d;
     struct C* c;//正确的结构体的自引用
 };

c是一个指针，它指向的元素类型是struct C，它所指向的是同一种类型的不同结构。

注意下面这个陷阱：

typedef struct
{
    int d;
    Node* c;
}Node;//不正确，这里typedef类型重命名时，需要成员变量的类型确定了，才会重命名,所以新的名字在结构体成员里是不能直接用的

这个声明的目的是为了类型重命名为Node，但是，它失败了，为什么呢？是因为类型名直到声明的末尾才定义，所以在结构声明的内部它还没有定义。

我们可以定义一个结构标签来声明c，这样就可以了：

typedef struct Node_Tag
{
    int d;
    struct Node_Tag * c;
}Node;

结构体变量的定义和初始化

结构的成员可以是标量、数组、指针、甚至是其他结构体。

给结构体变量初始化时与数组相似，需要用{}大括号，这些初始化的值根据结构成员列表的顺序写出。

struct S
{
    char ch;
    int i;
}s1,s2;
struct A
{
    int i;
    char c;
    struct S s;
};
int main()
{
    struct S s3={'a',20};
    struct A a={10,'b',{'b',30}};
    printf("%d %c %c %d",a.i,a.c,a.s.ch,a.s.i);
    return 0;
}

image-20210614184458421

结构体内存对齐

我们首先看下面的代码

struct S
{
    int i;//4
    char c1;//1
    char c2;//1
};
#include<stdio.h>
int main()
{
 	struct S s={0};
    printf("%d\n",sizeof(s));
    return 0;
}

s所占的空间大小是多少呢？答案是8个字节

image-20210614184951548

为什么呢？一个int类型两个char类型不应该是6字节吗？

这里就有关于结构体大小的一个规则，结构体的内存对齐：

  • 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 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。
    VS中默认的值为8
    linux-没有默认对齐数的概念
  • 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。
  • 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。

上面结构体大小的解释：

image-20210614201335795

//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;0
    struct S3 s3;8-23
    double d;24-31
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

练习1讲解：

image-20210718153110259

练习2讲解：

image-20210718153213441

练习3讲解：

image-20210718154039948

练习4讲解：

image-20210718154938871

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。

看下面这个结构体，我们举例说明一下为什么要内存对齐

struct S
{
    char c;
    int i;
}s;

image-20210718160038924

假设一个计算机一次访问4个字节，第一种访问一次就能完整的访问到i，第二种首先访问c和i的前三个字节，然后访问i的第四个字节和后面三个字节。需要通过两次访问才能将i完全访问，这时有人可能会疑惑，我们为什么不直接找到i直接访问i的四个字节呢？别忘了我们的第一个原因：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。

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

那我们在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，我们如何做到呢？

让空间小的成员尽量集中在一起

例如：

//例如：
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};

上面定义的结构体S2就比S1省空间

修改默认对齐数

那么我们可不可以修改默认对齐数数呢？答案是可以的。

#include<stdio.h>
struct S
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(struct S));//12
    return 0;
}

不修改默认对齐数时，上面代码中的结构体大小为12。

如何修改默认对齐数呢？

//默认对齐数为8
//把默认对齐数改为2
#pragma pack(2)

这样我们就把我们的默认对齐数修改为2了。

#include<stdio.h>
//默认对齐数为8
//把默认对齐数改为2
#pragma pack(2)
struct S
{
    char c1;0
    int i;2-5
    char c2;6
        7
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(struct S));//8
    return 0;
}

修改默认对齐数后，结构体大小变成了8

结构体传参

值传递：

struct S
{
    int date[1000];
    int num;
};
struct S s={{1,2,3,4},1000};
void print1(struct S s)
{
    printf("%d\n",s.num);
}
int main()
{
    print1(s);//结构体地址传递
    return 0;
}

地址传递：

struct S
{
    int date[1000];
    int num;
};
struct S s={{1,2,3,4},1000};
void print2(struct S* s)
{
    printf("%d\n",s->num);
}
int main()
{
    print2(&s);//结构体地址传递
    return 0;
}

上面的print1和print2函数哪个好一些呢？

答案是print2。原因：

函数传参的时候，参数是需要压栈的。如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。

结论：结构体传参的时候，传结构体的地址好一些。

位段

关于结构，我们还需要提到它们实现位段的能力。位段的声明和结构类型，但它的成员是一个或多个位的字段。这些不同长度的字段实际上存储于一个或多个整形变量中。

什么是位段

位段的声明和结构是类似的，但是有两个不同：

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。这个整数指定该位段所占用的位的数目

位段的声明

struct A
{
  	int _a:2;//_a成员占两个bit位
  	int _b:5;//_b成员占5个bit位
    int _c:10;//_c成员占10个比特位
    int _d:30;//_d成员占30个bit位
};

A就是一个位段类型，那位段A的大小是多少呢？

#include<stdio.h>
struct A
{
    int _a : 2;
    int _b : 5;
    int _c : 10;
    int _d : 30;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct A));
    return 0;
}

image-20210610224137829

首先_a是int类型，开辟4个字节的空间，_a占了2bit，_b占了5bit，_c占了10bit，此时32个bit位还剩下15个bit位，已经放不下_d(30bit)了，所以我们再开辟4个字节的空间，将_d放在新开辟的空间中，所以我们A位段的大小为8字节。那么我们能不能利用空间，将_d的15个bit位放入刚开始开辟的空间中去呢？这是不确定的，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。

image-20210611090228996

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。

下面我们看一个例子：

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;
    return 0;
}

代码图解：

image-20210611095307913

我们调试发现结构体内存中果然是这样存储的：

image-20210611094454834

注意：

注重可移植的程序应该避免使用位段。由于下面这些与实现有关的依赖性，位段在不同的编译器或者系统中可能会有不同的结果

  • int被当作有符号数还是无符号数是不确定的
  • 位段中位的最大数目；好多编译器把位段成员的长度限制在一个整型值的长度以内，一个能够运行在32位机器上的位段，可能在16位机器上是无法运行的
  • 位段中的成员的内存是从左向右分配还是从右向左是不确定的
  • 当一个位段结构包含两个位段成员，第二个位段成员比较大，无法容纳于第一个位段成员存储空间剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。

枚举

枚举的优点

我们为什么使用枚举呢？

  • 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

源文件是经过怎么样的一个过程生成可执行文件的呢？

image-20210712145001305

源文件在经过编译链接后得到可执行文件。#define定义的常量在预编译阶段处理，我们在调试时，常量已经全部被处理了，不便于调试，而枚举是便于调试的。

枚举类型的声明

枚举顾名思义就是一一列举

枚举是 C 语言中的一种基本数据类型，它可以让数据更简洁，更易读。

枚举语法定义格式为：

enum 枚举名
{
    枚举元素1,
    枚举元素2,
    ...
};

首先我们举个例子，比如：一星期有7天，如果不用枚举，我们需要使用 #define 来为每个整数定义一个别名：

#define MON  1
#define TUE  2
#define WED  3
#define THU  4
#define FRI  5
#define SAT  6
#define SUN  7

接下来我们看一看枚举的方式：

enum DAY
{
 	MON=1,TUE,WED,THU,FRI,SAT,SUN  
};

这样我们发现代码变得更加简洁了。

注意：

第一个枚举成员的默认值为整型的 0，后续枚举成员的值在前一个成员上加 1。我们如果把第一个枚举成员的值定义为 1，第二个就为 2，以此类推。

我们可以在定义枚举类型时可以改变枚举元素的值：

enum season {spring, summer=3, autumn, winter};

没有指定值的枚举元素，其值为前一元素加 1。也就说 spring 的值为 0，summer 的值为 3，autumn 的值为 4，winter 的值为 5

枚举变量的定义

前面我们讲的是枚举类型的声明，接下来我们看看如何定义枚举变量

我们有三种方式来定义枚举变量:

enum DAY
{
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
};
enum DAY day;

注意：

enum DAY day = 2;//这个代码在c文件可以编译成功，但是在c++文件中不能成功

c文件可以编译成功，但是在c++文件中不能成功，2是int类型，int类型是不能赋给DAY类型，c++检查更加严格。

enum DAY
{
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
} day;

enum
{
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
} day;

枚举在 switch 中的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 
    enum color 
    {
        red=1,
        green,
        blue 
    };
    enum  color favorite_color;
 
    //用户输入数字来选择颜色
    printf("请输入你喜欢的颜色: (1. red, 2. green, 3. blue): ");
    scanf("%u", &favorite_color);
 
    //输出结果
    switch (favorite_color)
    {
    case red:
        printf("你喜欢的颜色是红色");
        break;
    case green:
        printf("你喜欢的颜色是绿色");
        break;
    case blue:
        printf("你喜欢的颜色是蓝色");
        break;
    default:
        printf("你没有选择你喜欢的颜色");
    }
    return 0;
}

image-20210614225520035

联合

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）。

联合体的声明和定义

联合类型的声明

//联合类型的声明
union Un
{
    char c;
    int i;
};

联合变量的定义

union Un u;

那么联合变量的大小是多少怎么计算呢？

//联合类型的声明
union Un
{
    char c;//1
    int i;//4
};
int main()
{
    ///联合变量的定义和初始化
    union Un u={0};
    printf("%d\n",sizeof(u));//计算联合变量的大小
    return 0;
}

image-20210712170330142

我们发现这个联合变量大小为4，char是1字节，int为4字节，不应该至少是5字节吗？为什么是4呢？它是怎么计算的呢？我们继续往下看。

我们首先打印下面的地址：

printf("%p\n", &u);
printf("%p\n", &(u.c));
printf("%p\n", &(u.i));

image-20210712170501993

我们发现这些地址都是相同的，所以它们是共用同一块内存的。

所以联合体也叫共用体。

我们接着往下看：

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）。同一时间只能使用一个成员

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;
};
//下面代码输出的结果是什么？
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(union Un1));
    printf("%d\n", sizeof(union Un2));
}

image-20210712170756728

Un1大小的解释：

image-20210712174752813

Un2大小的解释：

image-20210712175234780

接下来我们来看一道笔试题：

一道百度笔试题

判断系统是大端存储还是小端存储

之前在讲解大小端时候说过这个笔试题，如果你不了解大小端的话，先去看一下博主的大小端讲解：( 深度剖析数据在内存中的存储之整形在内存中的存储、以及大小端介绍)。

利用指针类型的作用判断

int judge_sys()
{
	int a = 1;
	//小端 01 00 00 00
	//大端 00 00 00 01
	return *((char*)&a);//强制类型转换为char*，然后解引用访问了a的一个字节
	//是1就为小端，是0就为大端
}
int main()
{
	if (judge_sys())
	{
		printf("小端");
	}
	else
	{
		printf("大端");
	}
	return 0;
}

return *((char*)&a);

强制类型转换为char，然后解引用访问了a的一个字节
是1就为小端，是0就为大端

利用联合判断

int judge_sys()
{
	union Un
	{
		int a;
		char ch;
	}u;
	u.a = 1;
	return u.ch;
	//是1就为小端，是0就为大端
	//小端 01 00 00 00
	//大端 00 00 00 01
}
int main()
{
	if (judge_sys())
	{
		printf("小端");
	}
	else
	{
		printf("大端");
	}
	return 0;
}

利用联合判断时，给a赋值1，因为a和ch是共用内存的，所以给a赋值，ch也会发生改变，而且在内存中ch与a的第一个字节内容是相等的，a的第一个字节内容又取决于系统是大端存储还是小端存储，大端存储时，a的第一个字节内容为00，小端存储时，a的第一个字节内容为01，所以我们返回联合体中的ch成员，就能够判断是大端存储还是小端存储。

博主水平有限，如有错误，还望指正！欢迎大家学习讨论！记得点赞评论收藏哦！


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