深度剖析自定义类型(结构体、枚举、联合)——“C”

各位CSDN的uu们你们好呀,今天,小雅兰的内容是心心念念的结构体啦,其实在此之前,我也写过结构体的知识点,只是并没有很深入,那么,今天我会仔细来学习自定义类型的知识点,下面,让我们进入自定义类型的世界吧

初识结构体——“C”_认真学习的小雅兰.的博客-CSDN博客

结构体——“C”_认真学习的小雅兰.的博客-CSDN博客


结构体

        结构体类型的声明

        结构的自引用

        结构体变量的定义和初始化

        结构体内存对齐

        结构体传参

        结构体实现位段(位段的填充&可移植性)

枚举

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        枚举类型的定义

        枚举的优点

        枚举的使用

联合

        联合类型的定义

        联合的特点

        联合大小的计算  


结构体的声明

结构的基础知识

内置类型

  • char
  • int
  • short
  • long
  • float
  • double

C语言允许自己创造一些类型,这就是自定义类型!!!

自定义类型:结构体、枚举、联合 

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

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

 例如描述一个学生:

//定义学生类型
struct Stu
{
    //成员变量
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}; //分号不能丢
#include<stdio.h>
struct Stu
{
	//成员变量
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}s1,s2,s3; //分号不能丢
int main()
{
	//局部变量
	struct Stu s4;
	struct Stu s5;
	struct Stu s6;
	return 0;
}

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 b;
	float c;
}x;

比如:

//匿名结构体类型
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
} * ps;

上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)。

那么问题来了?

//在上面代码的基础上,下面的代码合法吗?
ps = &x;

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。

结构的自引用

初识数据结构——“数据结构与算法”_认真学习的小雅兰.的博客-CSDN博客

数据结构:描述的是数据在内存中的存储结构

 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?

struct Node
{
   int data;
   struct Node next;
};
//可行否?
//如果可以,那sizeof(struct Node)是多少?

这样的写法当然是不可行的,这是一个错误的示范!!!

因为:struct Node类型里面又有一个struct Node类型,这样不就乱套了嘛,就循环了呀

正确的自引用方式:

struct Node
{
  int data;
  struct Node* next;
};
#include<stdio.h>
struct Node
{
	int data;//4
	struct Node* next;//4or8
};
int main()
{
	struct Node n1;
	struct Node n2;
	n1.next = &n2;
	return 0;
}

拓展:

typedef struct
{
   int data;
   Node* next;
}Node;
//这样写代码,可行否?
//这样当然是不可以的
//在定义结构体时,并没有说明它的名字是Node,怎么能够在结构体内部直接用Node呢
//解决方案:
typedef struct Node
{
   int data;
   struct Node* next;
}Node;

结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型,那如何定义变量,其实很简单。

结构体变量的定义:

#include<stdio.h>
struct S
{
	int a;
	char c;
}s1;//全局变量
struct S s3;//全局变量
int main()
{
	struct S s2;//局部变量
	return 0;
}

结构体变量的初始化:

#include<stdio.h>
struct S
{
	int a;
	char c;
}s1;//全局变量
struct S s3;//全局变量
struct B
{
	float f;
	struct S s;
};
int main()
{
	struct S s2 = {100,'x'};//局部变量
	struct S s3 = { .c = 'y',.a = 1314 };
	struct B sb = { 3.14f,{200,'s'} };
	printf("%f %d %c\n", sb.f, sb.s.a, sb.s.c);
	return 0;
}

struct Point
{
	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 = { 520,1314 };
struct Stu //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age;//年龄
};
struct Stu s = { "zhangsan", 20 };//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

结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。

现在我们深入讨论一个问题:计算结构体的大小

这也是一个特别热门的考点: 结构体内存对齐

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 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员大小的较小值。
  •         VS中默认的值为8
  • 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。

 

#include<stdio.h>
struct S5
{
	int a;
	char c;
};
struct S6
{
	char c;
	int a;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S5));
	printf("%d\n", sizeof(struct S6));
}

 可能还是有些人不敢相信,没关系,C语言中还有一个宏,是专门用来计算偏移量的——offsetof

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S
{
	char c;
	int a;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\n", offsetof(struct S, c));
	printf("%d\n", offsetof(struct S, a));
	return 0;
}

#include<stdio.h>
//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    return 0;
}

 

 

#include<stdio.h>
//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
//练习4-结构体嵌套问题
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;
}

为什么存在内存对齐?

 大部分的参考资料都是这样说的:

  • 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。

//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。

S1所占空间为12,S2所占空间为8

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。

#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;
}

结论:

结构在对齐方式不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。


 结构体传参

#include<stdio.h>
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;
}

 上面的 print1 和 print2 函数哪个好些?

 答案是: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。

结论:

结构体传参的时候,要传结构体的地址。


位段

 什么是位段

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。

 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。

那位段A的大小是多少?

printf("%d\n", sizeof(struct A));

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 (属于整型家族)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。

//一个例子
struct S
{
   char a:3;
   char b:4;
   char c:5;
   char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的?

  

 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。

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 


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

这里就可以使用枚举了。

枚举类型的定义 

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。

例如:

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

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:

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

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。

联合(共用体)

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,特征是这些成员共用同一块空间(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));

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)。

#include<stdio.h>
union Un
{
	int i;
	char c;
};
int main()
{
	union Un un;

	// 下面输出的结果是一样的吗?
	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);
}

 判断当前计算机的大小端存储

这个题目我们之前写过,现在有另外一种写法:

整型在内存中的存储(详细剖析大小端)——“C”_认真学习的小雅兰.的博客-CSDN博客

#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u;
	u.i = 1;
	if (u.c == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

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。

#include<stdio.h>
union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};
//下面输出的结果是什么?
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));
}


好啦,小雅兰今天的内容就到这里啦,还要继续加油噢!!!

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