目錄
?前言
1、結(jié)構體
1.1、結(jié)構體類型的聲明
1.2、特殊的結(jié)構體類型聲明
1.3、結(jié)構體的自引用
1.4、結(jié)構體的定義和初始化
1.5、結(jié)構體成員變量的調(diào)用
1.6、結(jié)構體內(nèi)存對齊?
1.6.1、offsetof
1.6.2、結(jié)構體大小的計算
1.6.3、為什么存在內(nèi)存對齊？?
1.7、?修改默認對齊數(shù)
1.8、結(jié)構體傳參
2、位段?
2.1、什么是位段
2.2、位段的內(nèi)存分配
2.3、位段的跨平臺問題
2.4、位段的應用?
3、枚舉
3.1、枚舉類型的定義
3.2、枚舉的優(yōu)點?
4、聯(lián)合體（共用體）
4.1、聯(lián)合類型的定義
4.2、聯(lián)合體的特點
4.3、聯(lián)合大小的計算
?前言
C語言的內(nèi)置類型有：char、short、int、long、long long、float、double。
而這些內(nèi)置類型不能夠解決所有問題，生活中會存在一些復雜對象。
比如描述一個人，名字、性別、年齡、身高、體重.......
描述一本書，書名、作者、出版社.......
由于會存在復雜對象，因此C語言就支持了自定義類型，這就是這篇博客即將講到的結(jié)構體、位段、枚舉、聯(lián)合體（共用體）。
1、結(jié)構體
????????結(jié)構體是一種用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，用來將多個關聯(lián)的數(shù)據(jù)項組合到一起，形成一個完整的數(shù)據(jù)集合。
????????數(shù)組是一組相同類型元素的集合，而結(jié)構體可以包含不同類型的數(shù)據(jù)，例如整型、字符型、浮點型、數(shù)組、指針等等。結(jié)構體中的每個數(shù)據(jù)被稱為成員變量。
1.1、結(jié)構體類型的聲明
- 結(jié)構體關鍵字struct
- 自定義類型名tag
- 成員列表member-list
- 結(jié)構體變量名variable-list
struct tag
{
member-list;
}variable-list;例如描述一個學生：?
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年齡
char sex[5];//性別
char id[20];//學號
}s1, s2, s3;//分號不能丟 s1,s2,s3是三個結(jié)構體變量，為全局變量
int main()
{
struct Stu s4, s5, s6; //s4,s5,s6是三個結(jié)構體變量，為局部變量
return 0;
}1.2、特殊的結(jié)構體類型聲明
匿名結(jié)構體類型在定義時沒有自定義類型名，并且在定義時就創(chuàng)建了結(jié)構體變量(s1)。
特點：因為沒有自定義類型名，無法在以后通過自定義類型名進行創(chuàng)建，所以只能在定義時創(chuàng)建結(jié)構體變量。
struct
{
char name[20];//名字
int age;//年齡
char sex[5];//性別
char id[20];//學號
}s1;//分號不能丟【易錯提醒】?
?下面代碼是否可行？
struct
{
char name[20];
int age;
char sex[5];
char id[20];
}s1;
struct
{
char name[20];
int age;
char sex[5];
char id[20];
}* p;
int main()
{
p = &s1; //是否可行？
return 0;
}【答案 】
不可行， 在編譯器看來，雖然兩個結(jié)構體的成員變量是一樣的，但是仍然會認為是兩個結(jié)構體類型，因此編譯器會報警告的。
1.3、結(jié)構體的自引用
在結(jié)構體中包含一個類型為該結(jié)構體本身的成員可以嗎？
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};其實可以換一種思路：如果可以直接在結(jié)構體內(nèi)包含本身，那么該結(jié)構體大小一定是可以用sizeof()計算的，因為如果可行的話就必然會存儲在內(nèi)存中，而存儲在內(nèi)存中的話又必然會有大小。相反如果無法計算大小，就證明該自引用方式不行。
那么當我們運行sizeof計算該結(jié)構體大小時候會發(fā)現(xiàn)編譯器報錯了，即證明該自引用方式是錯誤的。
【正確的結(jié)構體自引用】?
因為地址（指針）的大小是確定的，所以可以傳遞指針來實現(xiàn)結(jié)構體的自引用。
struct Node
{
int data;
struct Node* next; //結(jié)構體指針
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct Node));
return 0;
}1.4、結(jié)構體的定義和初始化
struct Point
{
int x;
int y;
}p1;
//聲明類型的同時定義變量p1
struct Point p2;
//定義結(jié)構體變量p2
//初始化：定義變量的同時賦初值。
struct Point p3 = { 1, 2 };
struct Stu //類型聲明
{
char name[15];//名字
int age; //年齡
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };//初始化
struct Node
{
int data;
struct Point p;
struct Node* next;
}n1 = { 10, {4,5}, NULL };
//結(jié)構體嵌套初始化
struct Node n2 = { 20, {5, 6}, NULL };//結(jié)構體嵌套初始化1.5、結(jié)構體成員變量的調(diào)用
- 結(jié)構體變量名.成員變量名
- 結(jié)構體指針->成員變量名
1.6、結(jié)構體內(nèi)存對齊?
- 我們已經(jīng)掌握了結(jié)構體的基本使用了。
- 現(xiàn)在我們深入討論一個問題：計算結(jié)構體的大小。
- 這也是一個特別熱門的考點： 結(jié)構體內(nèi)存對齊
如果兩個結(jié)構體的成員變量都一致，那么他們的大小會一樣嗎？
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S1)); //結(jié)構體大小為多少？
printf("%d\n", sizeof(struct S2)); //結(jié)構體大小為多少？
return 0;
}【運行結(jié)果】?
出乎意料的是，S1的大小是12，而S2的大小是8，它們的大小啊是不一致的，這是為什么呢？下面我們介紹一個宏offsetof，用這個宏來探究什么導致了S1和S2大小不一。
1.6.1、offsetof
宏offsetof用于計算結(jié)構體成員相較于起始位置的偏移量，返回的就是偏移量。
【計算S1】
首先c1、c2占一個字節(jié)，i占四個字節(jié)。然后用offsetof計算出偏移量為0、4、8。
而S1總大小又為12，那么將c1、i、c2按照偏移量存入內(nèi)存中后可以觀察到，如果S1為12，那么將有6個字節(jié)的空間被浪費（紅色區(qū)域），這是為什么呢？
【計算S2】
?S2計算的大小是8，那么將成員變量按照偏移量存入內(nèi)存中后，可以觀察到被浪費了2個字節(jié)的空間（紅色區(qū)域），為什么會出現(xiàn)浪費的空間，而且浪費的空間還不一樣呢？下面將為大家講解結(jié)構體內(nèi)存對齊。
1.6.2、結(jié)構體大小的計算
首先得掌握結(jié)構體的對齊規(guī)則：
- 第一個成員在與結(jié)構體變量偏移量為0的地址處。
- 其他成員變量要對齊到某個數(shù)字（對齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。
- 對齊數(shù) = 編譯器默認的一個對齊數(shù) 與 該成員大小的較小值。
- VS中默認的值為8
- Linux中沒有默認對齊數(shù)，對齊數(shù)就是成員自身的大小。
?????3. 結(jié)構體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。
?????4. 如果嵌套了結(jié)構體的情況，嵌套的結(jié)構體對齊到自己的最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構體的整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍。
那么當我們知道了對齊數(shù)這個東西之后，我們就來試著自己計算一下s1和s2的大小。?
?【手動計算S1】
- 第一個成員c1直接放在0偏移處。
- i的自身大小為4，vs默認對齊數(shù)為8，較小值就為4，因此要放到4的整數(shù)倍的位置上，即跳過（浪費）3個字節(jié)放在4偏移處，占4個字節(jié)。
- c2自身大小為1，vs默認對齊數(shù)為8，較小值就為1，因此要放到1的整數(shù)倍的位置上，任何數(shù)都是1的整數(shù)倍，因此直接放在i后面就可以了。
- 此時還沒結(jié)束，結(jié)構體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。c1對齊數(shù)1，i對齊數(shù)4，c2對齊數(shù)1，因此最大對齊數(shù)為4，此時大小為9，需要再浪費3個空間，使結(jié)構體總大小到達12成為4的倍數(shù)，這就完成了一次結(jié)構體的計算。
【手動計算S2】?
- 第一個成員c1直接放在0偏移處。
- c2自身大小為1，vs默認對齊數(shù)為8，較小值就為1，因此要放到1的整數(shù)倍的位置上，任何數(shù)都是1的整數(shù)倍，因此直接放在c1后面就可以了。
- i的自身大小為4，vs默認對齊數(shù)為8，較小值就為4，因此要放到4的整數(shù)倍的位置上，即跳過（浪費）2個字節(jié)放在4偏移處，占4個字節(jié)。
- 此時還沒結(jié)束，結(jié)構體總大小為最大對齊數(shù)（每個成員變量都有一個對齊數(shù)）的整數(shù)倍。c1對齊數(shù)1，i對齊數(shù)4，c2對齊數(shù)1，因此最大對齊數(shù)為4。但是此時的大小剛好就為4的倍數(shù)，因此不需要在浪費其他空間了，結(jié)構體大小就為8。
1.6.3、為什么存在內(nèi)存對齊？?
????????當我們了解完結(jié)構體內(nèi)存對齊之后，我們還有一個問題：什么會存在內(nèi)存對齊呢 ？
大部分的參考資料中都涉及到兩種原因：
1. 平臺原因(移植原因)：
????????不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)的；某些硬件平臺只能在某些地址處取某些特定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常2. 性能原因：
????????數(shù)據(jù)結(jié)構(尤其是棧)應該盡可能地在自然邊界上對齊。原因在于，為了訪問未對齊的內(nèi)存，處理器需要作兩次內(nèi)存訪問；而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。
總體來說：?
結(jié)構體的內(nèi)存對齊是拿空間來換取時間的做法。
?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-716057.html
?那在設計結(jié)構體的時候，我們既要滿足對齊，又要節(jié)省空間，如何做到：
讓占用空間小的成員盡量集中在一起。例如上面作為例子使用的S1和S2，它們的成員一模一樣，但是S1和S2所占空間的大小有了一些區(qū)別，就是因為S2將小的成員放在了一起。
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
}; //結(jié)構體大小12
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
}; //結(jié)構體大小8
1.7、?修改默認對齊數(shù)
之前我們見過了 #pragma 這個預處理指令，這里我們再次使用，可以改變我們的默認對齊數(shù)。
#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//設置默認對齊數(shù)為8
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消設置的默認對齊數(shù)，還原為默認
#pragma pack(1)//設置默認對齊數(shù)為1
struct S2
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消設置的默認對齊數(shù)，還原為默認
int main()
{ //輸出的結(jié)果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
return 0;
}?【運行結(jié)果】
這里非常好理解，對齊數(shù)設置為8的情況我們在上面已經(jīng)計算過了，那么設置為1的時候就等于沒有對齊了，因為任何數(shù)都是1的整數(shù)倍，所以直接就等于1+4+1 = 6。
1.8、結(jié)構體傳參
?下面的 print1 和 print2 函數(shù)哪個好些？
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
//結(jié)構體傳參
void print1(struct S s)
{
printf("%d\n", s.num);
}
//結(jié)構體地址傳參
void print2(struct S* ps)
{
printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
print1(s); //傳結(jié)構體
print2(&s); //傳地址
return 0;
}【答案】
首選?print2?函數(shù)，因為函數(shù)傳參的時候，參數(shù)是需要壓棧，會有時間和空間上的系統(tǒng)開銷。
如果傳遞一個結(jié)構體對象的時候，結(jié)構體過大，參數(shù)壓棧的的系統(tǒng)開銷比較大，所以會導致性能的下降。
2、位段?
?位段的出現(xiàn)是為了節(jié)省空間的。
2.1、什么是位段
位段的“位”，就是二進制位的“位”。位段的聲明和結(jié)構是類似的，有兩個不同：
- 位段的成員必須是 int、unsigned int 或signed int 。在 C99之后，也可以是其他類型，但基本上也都是int、char這些整型家族的類型。
- 位段的成員名后邊有一個冒號和一個數(shù)字。
struct A
{
int _a : 2; //_a占用2個bit位的空間
int _b : 5; //_b占用5個bit位的空間
int _c : 10; //_c占用10個bit位的空間
int _d : 30; //_d占用30個bit位的空間
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct A));
return 0;
}
//提示：1個字節(jié)等于8個bit位
?
正常情況下四個int類型開辟出來的大小為16個字節(jié)，但是如果使用上面的代碼實現(xiàn)的話只用了8個字節(jié)，下面就來講解一下位段的內(nèi)存分配。
2.2、位段的內(nèi)存分配
- 位段的成員可以是 int unsigned int signed int 或者是 char （屬于整形家族）類型
- 位段的空間上是按照需要以4個字節(jié)（ int ）或者1個字節(jié)（ char ）的方式來開辟的。
- 位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺的，注重可移植的程序應該避免使用位段。
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;
int ret = sizeof(struct S);
printf("%d\n", ret);
return 0;
}
?【運行結(jié)果】Visual Studio 2022環(huán)境下測試結(jié)果
結(jié)果為3個字節(jié)。
疑問：3+4+5+4 = 16bit位，1個字節(jié)等于8個bit位，為什么不是開辟2個字節(jié)呢？
我們可以在內(nèi)存存放的值中找到答案。
從圖解可以得出結(jié)論：當空間不夠存放下一個成員時，剩下的空間不會被使用，而是會開辟另外一個空間然后將內(nèi)容存放到新開辟的空間中去，因此上述代碼的結(jié)果才會是是3而不是2。
2.3、位段的跨平臺問題
- int 位段被當成有符號數(shù)還是無符號數(shù)是不確定的。
- 位段中最大位的數(shù)目不能確定。（16位機器最大16，32位機器最大32，寫成27，在16位機器會出問題。）
- 位段中的成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配標準尚未定義。
- 當一個結(jié)構包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納于第一個位段剩余的位時，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。
總結(jié)：
跟結(jié)構相比，位段可以達到同樣的效果，但是可以很好的節(jié)省空間，但是有跨平臺的問題存在。
2.4、位段的應用?
網(wǎng)絡協(xié)議棧，網(wǎng)絡底層傳輸數(shù)據(jù)。
在當今的互聯(lián)網(wǎng)時代下，通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)非常普遍了，那么大家有沒有想過，當我們發(fā)送的一條短信，一條微信消息時，網(wǎng)絡傳輸部分是怎樣處理的，它是只傳輸了消息本身嗎？當然不是，一條最簡單的消息都要包含許多其他的數(shù)據(jù)，比如這條消息的發(fā)出時間，發(fā)送者的ip地址，發(fā)送對象的ip地址等等等等。一條消息包含了那么多數(shù)據(jù)，那么如果沒有位段的出現(xiàn)，就會導致單條消息傳輸?shù)捏w積過大，會導致網(wǎng)絡負載過大，不利于我們的日常使用和服務器的數(shù)據(jù)存儲。使用位段就能很好的壓縮體積大小，使得消息更加小而輕便。
3、枚舉
枚舉，顧名思義就是一一列舉，把可能值都一一列舉。
比如我們現(xiàn)實生活中：
- 一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列舉。
- 性別有：男、女、保密，也可以一一列舉。
- 月份有12個月，也可以一一列舉
3.1、枚舉類型的定義
以下定義的 enum Day ， enum Sex ， enum Color 都是枚舉類型。
{}中的內(nèi)容是枚舉類型的可能取值，也叫枚舉常量 。
enum Day//星期
{
Mon, //枚舉的可能取值是默認從0開始的。
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
enum Sex//性別
{
MALE,
FEMALE,
SECRET
};
enum Color//顏色
{
RED,
GREEN,
BLUE
};
這些可能取值都是有值的，默認從0開始，一次遞增1，當然在定義的時候也可以賦初值。
例如：?
enum Color//顏色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};3.2、枚舉的優(yōu)點?
我們可以使用 #define 定義常量，為什么非要使用枚舉？
枚舉的優(yōu)點：
- 增加代碼的可讀性和可維護性
- 和#define定義的標識符比較枚舉有類型檢查，更加嚴謹。
- 防止了命名污染（封裝）
- 便于調(diào)試
- 使用方便，一次可以定義多個常量
4、聯(lián)合體（共用體）
4.1、聯(lián)合類型的定義
聯(lián)合也是一種特殊的自定義類型
這種類型定義的變量也包含一系列的成員，特征是這些成員公用同一塊空間（所以聯(lián)合也叫共用體）。
比如：
union Un
{
char c;
int i;
};
4.2、聯(lián)合體的特點
聯(lián)合的成員是共用同一塊內(nèi)存空間的，這樣一個聯(lián)合變量的大小，至少是最大成員的大?。ㄒ驗槁?lián)合至少得有能力保存最大的那個成員）。同時因為共用一塊內(nèi)存空間，所以同一時間只能使用一個。
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
union Un un;
printf("%d\n", sizeof(un));
printf("%p\n", &(un));
printf("%p\n", &(un.c));
printf("%p\n", &(un.i));
return 0;
}?
4.3、聯(lián)合大小的計算
- 聯(lián)合的大小至少是最大成員的大小。
- 當最大成員大小不是最大對齊數(shù)的整數(shù)倍的時候，就要對齊到最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。
union Un
{
char c[5]; //大小為5，對齊數(shù)為1
int i; //大小為4，對齊數(shù)為4
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(union Un));
return 0;
}?【運行結(jié)果】
最大成員大小為5，但是最大對齊數(shù)是4，所以需要對齊到8。
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到了這里，關于一篇博客學會系列（2）—— C語言中的自定義類型 ：結(jié)構體、位段、枚舉、聯(lián)合體的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
