C语言突破进阶-自定义结构类型

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1. 结构体

1.1 Intro of Struct1.2 结构的声明

第一种创建方式第二种创建方式特殊的声明 1.4 结构的自引用1.5 结构体变量的定义和初始化1.6 结构体内存对齐

1.6.2 计算结构体内存对齐1.6.3 为什么存在内存对齐1.6.4 修改默认对齐数1.6.5 练习题 1.7 结构体传参 2. 位段

2.1 位段快速入门2.2 位段的内存分配2.3 位段的跨平台问题2.4 位段的应用 3. 枚举

3.1 枚举类型的定义3.2 枚举的优点3.3 枚举举例 4. 联合（共用体）

4.1 联合类型的定义4.2 联合的特点4.3 联合大小的计算4.4 联合体的一个应用

本章我们主要谈谈自定义类型

自定义类型主要有如下三种：结构体，枚举形式和联合体

下面的思维导图可以看作本章主要内容概要

1. 结构体 1.1 Intro of Struct

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

之前在结构体初阶一章中也已经提出，结构体声明的原因就是为了解决C语言内置类型的匮乏，通过自己构建类型，我们可以给C语言创造出特别的类型比如描述一个学生的名字，性别，年龄，以及身高等等

1.2 结构的声明

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

假如说我要描述一个pokemon

我需要从多种特性来描述，比如名字，图鉴编号，身高或是体重

第一种创建方式

struct Pokemon
{
	char name[20];//名字
	int id;//图鉴编号
	float height; //身高
	float weight;//重量
	char fighting_type[20]; //属性
	char species[15]; //类型
};

int main()
{
	struct Pokemon pikachu;//拿这个结构体来创建一个变量，变量类型是这个结构体Pokemon
    return 0;
}

第二种创建方式

struct Pokemon
{
	char name[20];//名字
	int id;//图鉴编号
	float height; //身高
	float weight;//重量
	char fighting_type[20]; //属性
	char species[15]; //类型
}pokemon1，pokemon2;//全局

这两种创建方式的区别是第二种创建方式创建的结构体变量是全局的

特殊的声明

在声明结构体的时候，可以不完全的声明。
比如：

//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;

相当于只能用这一次，以后不能再利用这种定义了

突然想到了匿名内部类( ͡• ͜ʖ ͡• )

但是这样的代码是err的

struct
{
	char c;
	int a;
	double d;
}sa;

struct
{
	char c;
	int a;
	double d;
}* ps;


int main()
{
	//编译器认为等号两边时不同的结构体类型，所以这种写法时错误的
	ps = &sa;

	return 0;
}

1.4 结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员

这种情况常常在数据结构中的链表等中使用到

下面的自引用是错误的

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

正确的自引用方式：

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

下面的typedef自引用是错误的（自引用在typedef之前出现了）

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

正确的typedef自引用方式：

typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;//重名名为node

1.5 结构体变量的定义和初始化

typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;//声明类型的 同时定义

struct Stu
{
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
	int hight;
};

struct Data
{
	struct Stu s;
	char ch;
	double d;
};//嵌套定义

int main()
{
	struct Node n2 = { 100, NULL };//定义结构体变量 ，赋初值
	struct Stu s1 = { "zhangsan", "nan", 20, 180 };//初始化
	struct Data d = { {"lisi", "nv", 30, 166},'w', 3.14 };
	return 0;
}

1.6 结构体内存对齐

###1.6.1 Intro of 结构体内存对齐

结构体的内存对齐是一个很重要的知识点

struct S1
{
	char c1;//1
	int i;//4
	char c2;//1
};//12
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};//8
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	struct S4 s;
	printf("%dn", sizeof(struct S1));//12
	printf("%dn", sizeof(struct S2));//8
	printf("%dn", sizeof(struct S3));//16
	printf("%dn", sizeof(struct S4));//32
	return 0;
}

可以发现，定义结构体的时候只要改变一下顺序，就会导致结构体的大小相对应的改变，即使定义的类型都没有改变

这是为什么呢？

首先我们可以通过一个函数来实现得知该结构体某个属性的偏移量，即offsetof，使用该函数需要引头文件，

	printf("%dn", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%dn", offsetof(struct S1, i));
	printf("%dn", offsetof(struct S1, c2));

可以发现内存中的每一个字节并不是都用到了

所以引出了结构体的内存对齐

1.6.2 计算结构体内存对齐

如何计算？
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。

下面再来算几个



struct S2
{
	char c1;  //1
	char c2;  //2
	int i; //4
};//8



struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

(嵌套)

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;//最大对齐数是8，内存占用是16
	double d;
};

1.6.3 为什么存在内存对齐

 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。

​

1.6.4 修改默认对齐数

默认对齐数是可以修改的

#pragma pack(1)//默认对齐数的开始
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//默认对齐数结束


int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct S1));
	return 0;
}

当1为最大对齐数，相对于原来的8就会有不同的值

#pragma pack(4)
struct S
{
	char c1;//0
	//1~3
	double d;//8 4 4 4~11
	char c2;//12
	//13~15
};
#pragma pack()
int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct S));
	return 0;
}

如果前提是愿意节省空间，可以选择自己更改默认数，但是最好不要乱改，凡是要改，都要对齐到2n

1.6.5 练习题

内存对齐练习题

#pragma pack(4)
int main(int argc, char* argv[])
{
  struct tagTest1
  {
    short a;
    char d; 
    long b;   
    long c;   
  };
  struct tagTest2
  {
    long b;   
    short c;
    char d;
    long a;   
  };
  struct tagTest3
  {
    short c;
    long b;
    char d;   
    long a;   
  };
  struct tagTest1 stT1;
  struct tagTest2 stT2;
  struct tagTest3 stT3;

  printf("%d %d %d", sizeof(stT1), sizeof(stT2), sizeof(stT3));
  return 0;
}
#pragma pack()

三个结构体都向最长的4字节long看齐。第一个a+d+b才超过4字节，所以a和d一起对齐一个4字节，剩下两人独自占用，共12字节，第二个同理c，d合起来对齐一个四字节，也是12字节。第三个因为c+b，d+a都超过4字节了，所以各自对齐一个4字节，共16字节。

所以答案是 12 12 16

百度笔试题：

写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明
考察： offsetof 宏的实现

后期预处理一章再实现

1.7 结构体传参

在我们需要传参来打印数组的时候，我们选择那一种Print函数会好一点呢

struct S
{
	int arr[1000];
	float f;
	char ch[100];
};

void print1(struct S tmp)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", tmp.arr[i]);
	}
	printf("n");
	printf("%fn", tmp.f);
	printf("%sn", tmp.ch);
}

void print2(struct S* ps)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("n");
	printf("%fn", ps->f);
	printf("%sn", ps->ch);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}, 5.5f, "Hello there" };
	print1(s);
	print2(&s); 
	return 0;
}

print1是一个值传参，所以会创造一种临时拷贝，但是再次重新创造一个空间的话，就会造成空间的浪费，倘若结构体里面所含的内容足够大的话，那么将导致问题出现

print2就是传地址，所以是不用创建一整个结构体，只是创造一个指针，当结构体足够大的时候，节省空间的效率就会非常高。

 结构体传参是时候一般传指针地址，原因是函数传参的时候，要进行函数的压栈

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。

2. 位段

熟知了结构体，就可以讲讲位段

2.1 位段快速入门

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。

数字表示的是该位段占据的是多少bit位

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

int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct A));

	return 0;
}

看看位段的大小

位段

2.2 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。

上面的针对于int型的数据，所以每次增加按照四个字节一次

下面来看一个char类型的位段

struct S
{
	//1byte-8bit
	char a : 3;//5
	char b : 4;//1
	//1byte-8bit
	char c : 5;//3
	//1byte-8bit
	char d : 4;//超过8个bit多一个字节
};

int main()
{
	printf("%dn", sizeof(struct S));
	return 0;
}

在VS中是从低位到高位使用，然后如果这个字节剩余比特位已经不够用了，就换到下一个字节

2.3 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16，32位机器最大32，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：
跟结构体相比，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。

2.4 位段的应用

网络数据包

3. 枚举

枚举就是一一列举可能的取值

3.1 枚举类型的定义

enum Day
{
	//枚举的可能取值
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thir,
	Fri,
	Sta,
	Sun
};

enum Sex
{
	MALE,//0
	FEMALE,//1
	SECRET//2
};
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。注意不是变量

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
};

3.2 枚举的优点

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(#define是不能调试的，因为在预处理的时候宏定义就已经被删除了)
 使用方便，一次可以定义多个常量

3.3 枚举举例

typedef enum Sex
{
	MALE=4,
	FEMALE,
	SECRET
}Sex;

int main()
{
	printf("%dn", MALE);
	printf("%dn", FEMALE);
	printf("%dn", SECRET);
	return 0;
}

输出的应该是4，5，6

4. 联合（共用体） 4.1 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）。

union Un
{
	char c;//1
	int i;//4
};

int main()
{
	printf("%dn", sizeof(u));
	printf("%pn", &u);
	printf("%pn", &(u.c));
	printf("%pn", &(u.i));
	return 0;
}

4.2 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）。

 一般什么时候使用，多种选择但是每次选择的时候只会选择一个

union Un
{
	char c;//1
	int i;//4
};
int main()
{
	union Un u = {0};
	u.c = 'w';
	u.i = 0x11223344;
	return 0;
}

想用的时候会覆盖之前的值

4.3 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];//5 1,8 - 1
	int i;    //4 4,8 - 4
};

union Un2
{
	short c[7];//14 2,8-2
	int i;     //4  4,8-4
};

int main()
{
	printf("%dn", sizeof(union Un1));
	printf("%dn", sizeof(union Un2));
	return 0;
}

大小就是8 16

4.4 联合体的一个应用

利用两种方法来看机器是大端还是小端

int cheak_sys()
{
	int a = 1;
	return (*(char*)&a);
}
int cheak_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}
int main()
{
	int ret = cheak_sys();
	if (1 == ret)
		printf("小端n");
	else
		printf("大端n");
	//如果返回1，表示小端
	//如果返回0，表示大端
	return 0;
}

总结：

关于自定义数据类型的学习就到这里了

老铁们有收获的话一定要给个赞，多多评论哦