【C语言】自定义类型：结构体（内存对齐），枚举，联合

本章重点

• 结构体

  • 结构体类型的声明

  • 结构体的自引用

  • 结构体变量的定义和初始化

  • 结构体内存对齐

  • 结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

• 枚举

  • 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

结构体的声明

结构体的基础知识

结构是一些值的集合，这些值成为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量

结构体的声明

struct Book {
	char book_name[20];
	char author[20];
	int price;
	char id[20];
};

分号前面可以加结构体变量，是全局变量

特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全声明

struct {
	char book_name[20];
	char author[20];
	int price;
	char id[20];
}sb1, sb2;

这个在声明的时候省略了结构体的标签，也叫作匿名结构体类型只能使用一次

那么问题来了？

struct {
	char book_name[20];
	char author[20];
	int price;
	char id[20];
}sb1;


struct {
	char book_name[20];
	char author[20];
	int price;
	char id[20];
}* ps;


int main() {
	ps = &sb1;
	return 0;
}

警告：编译器会把上面的两个声明当成完全不相同的类型。所以是非法的

结构体的自引用

使用场景，就是链表当中

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

结构体变量的定义和初始化

有了结构体那么如何定义变量，

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


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：定义变量的同时赋值

struct Point p3 = { x, y };

结构体的内存对齐

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

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

#include <stdio.h> 

int main()  {
	printf("%d
", sizeof(struct S1));
	printf("%d
", sizeof(struct S2));
}

结果是什么？

这是因为什么那？

就是结构体内存对齐，这里在介绍一个函数

offsetof,

offsetof (type,member),这个函数的功能就是计算结构体成员相对于起始位置的偏移量

这是对应的偏移量，所以怎么画图那（这是根据偏移量计算的）

如何结算？

首先掌握结构体对齐的规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处
2. 第二个成员开始，要对齐到某个【对齐数】的整数倍到的偏移处，对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值

VS： 8

Linux： 默认不设对齐数（对齐数是结构体成员的自身大小）

3. 结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍。每个结构体成员都有一个对齐数，其中最大的对齐数就是最大对齐数。
4. 如果嵌套了结构体的情况，潜逃的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍，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。

为什么存在内存对齐的规则？

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的数据类型，否则抛出硬件异常
2. 性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能的在自然边界上对齐，原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要操作两次内存访问；而对齐的内存仅需要一次访问

总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法

修改默认对齐数

设置默认对齐数：

#pragma pack(8) //设置默认对齐数为8

#pragma pack()//恢复默认对齐数

结构体传参

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
", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%d
", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s); //传结构体
	print2(&s); //传地址
	return 0;
}

首选print2函数原因：

函数传参的时候，是需要压栈的，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，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能下降

结论

结构体传参的时候，是要传结构体的地址的

位段

结构体说完就得说说结构体实现位段的能力

什么是位段

1. 位段的成员必须是int,unsigned int, signed int
2. 位段的成员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;
};

位段中的位其实是二进制位，后面的2就是表示2个比特位，后面也是如此

位段的内存分配

#include <stdio.h>

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;

}

//空间是如何开辟的？

最后在内存中的结果应该是：

我们在编译器上来看看，到底是什么？

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位机器会出现问题）
3. 位段中的成员的内存从左到右分配还是从右到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是时，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

枚举类型的定义

#include <stdio.h>

enum Color {
    //枚举的可能取值
    //每一个可能的取值是常量
	RED,
	GREEN,
	BLUE
};

int main() {
	enum Color color = RED;
	return 0;
}

这些可能取值是都是有值的默认是从0开始，一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初始值

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

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一块空间（所以联合也叫共用体）

#include <stdio.h>

union Un {
	char c;
	int i;
};

int main() {
	union Un un;
	printf("%d
", sizeof(union Un));
}

联合体的特点

联合的成员是共用一块内存空间的，这样一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合至少有能力保存最大的成员）

之前写的大端小端判断在这里用共用体同样可以解决：

#include <stdio.h>

union Un {
	char c;
	int i;
}u;

int main() {
	u.i = 1;
	if (u.c == 1) {
		printf("小端
");
	}
	else {
		printf("大端
");
	}
	return 0;
}

联合体大小的计算

• 联合体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，就要对齐最大对齐数的整数倍