详解结构体、位段、枚举、联合类型【C语言/进阶】

文章目录

• 前言
• 1. 结构体
• • • 基础知识
  • 1.1 结构体的声明
  • 1.2 特殊类型：匿名结构体类型
  • 1.3 结构自引用
  • 1.4 结构体变量初始化
  • 1.5 结构体内存对齐
  • 1.7 修改默认对齐数
  • 1.8 结构体传参
• 2. 位段
• • 2.1 什么是位段
  • 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 枚举的使用
• 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
• 结语

前言

这一篇将详细讲解各自自定义类型：结构体、位段、枚举、联合

1. 结构体

基础知识

结构是一些值的集合，这些值被称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。

1.1 结构体的声明

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

如学生类型

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s1, s2; //分号不能丢
//s1和s2都是全局变量
//变量s数量至少为0

1.2 特殊类型：匿名结构体类型

在声明时省略了结构体标签（tag）

//例
struct  
{
int a;
char b;
float c;
}x;

struct
{
int a;
char b;
float c;
}*p;

问：以上述代码为例，以下代码合法吗？

p = &x;

非法：

虽然它们都没有标签，且即使结构成员相同，但编译器依然会认为它们是两个不同的类型。所以编译器很有可能会提示警告。

1.3 结构自引用

即在a结构中的一个成员也是a结构本身

首先以一个例子说明结构自引用的作用

//代码1
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
//可行否？
//如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

结果

不可行，这类似一个递归，结构Node永远不会初始化完整，因为每次遇到第二条语句都会重新创建一个结构体，所以这是不被语法允许的。

正确引用

//代码2
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};

如何理解？

在结构体Node中，不仅包含了数据，还包含了上一个部分的地址，*仅代表next是一个结构体指针，以表示它是能存放地址的。

typedef 的使用注意事项

typedef struct即重命名结构体。（typedef + xx = 重命名xx）以下的例子是将struct Node重命名为最后分号前的Node

标准写法：

typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;//代码3

所以只要typedef struct即重命名结构体以后，再需要定义结构体时便不再需要写struct，使用起来更简便。如

Node a = {{ },{ }};

typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//这样在结构体定义一个结构体，可以吗？

答案是不行。编译器按从上到下的顺序执行语句，当这整个语句是在重命名结构体，但结构体内部在未重命名时就使用了重命名后的结构体变量名，这是非法的。

1.4 结构体变量初始化

前面已经介绍，在此处给出整体代码

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 = {x, y};
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

1.5 结构体内存对齐

这个问题许多学校老师包括众多教材都是一笔略过，但这里的知识点蛮重要的。

首先以结构体的大小为例：

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

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

//以下结果是如何呢？两个一样的吗？
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

结果

为什么两个结构体的成员相同，只是顺序不同，它们的大小不应该是一样的吗，为什么这里不一样？

在我们了解了结构体内存对齐后，我们就会理解了

首先掌握结构体的对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

   

2. 按顺序，其他成员变量要对齐到对齐数的整数倍的偏移量对应的地址处。
   对齐数 = 编译器内置的一个数值 与 该成员大小的较小值。
   （VS编译器中默认的值为8；Linux中没有默认值，则对齐数就是成员大小本身）

3. 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。

   

   

4. 对于结构体嵌套的情况，嵌套的结构体要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（含嵌套结构体的每个对齐数）的整数倍

   #include<stdio.h>
   struct S1
   {
   	char c1;
   	int i;
   	char c2;
   };
   
   struct S2
   {
   	char c1;
   	struct S1 s1;
   	double d;
   };
   
   //以下结果是如何呢？
   int main()
   {
   	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
   	return 0;
   }
   

   

   

结构体内存对齐的意义何在？

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，否则有硬件异常的错误信息。
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。

总体来说：

结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

所以在定义结构体时，尽量将同类型的且长度小的变量放在一起。

1.7 修改默认对齐数

默认对齐数是可以修改的

使用#pragma 这个预处理指令，可以改变默认对齐数

#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;
}

结果

1.8 结构体传参

传参的目的是什么？

在函数中我们使用了传值和传址，二者最大的不同是前者的形参是实参的一份临时拷贝，后者是间接寻址，直接操作原数据。后者能提高程序的效率。

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;
}

问：应该选择print1还是print2？

print2

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。
当要传递一个结构体对象时，若结构体体积过大，每次调用它时都要重新为它开辟一次内存空间，参数压栈的系统开销就会比较大，所以会导致性能的下降。

总结：

结构体的大小往往不会很小，所以为了提高程序性能，在传参时应该传址。

2. 位段

又叫位域。它是用结构体实现的，但区别于结构体

它充分利用空间，弥补了内存对齐造成的内存浪费这个缺点。例如：我传递的多个信息都很小，只有几个比特位那么大，如果为每个信息都开辟一个字节的空间，这样会浪费很多超过信息本身的空间，位段就是让这些长度很短的信息尽可能地放在一起，节省空间。这个例子下面会介绍。

2.1 什么是位段

1.位段的成员必须是int、char、unsigned int 或signed int 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。数字是比特位。

例如

A是一个位段类型

struct A
{
	int a : 2;//成员a占2个bit位
	int b : 5;//成员b占5个bit位
	int c : 10;
	int d : 30;
};

位段的大小

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}

2.2 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 （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，所以位段是不跨平台的，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;
};

2.3 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，如果是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

主机与主机之间传输数据时会将IP数据报一起打包，以实现信息匹配的目的，然而网路带宽是有限的，而且要传递的信息不止一种，且每种信息并不是很长，也各不相同，所以如果用char、int变量来存储这些碎片信息，是浪费空间的。所以人们利用位段，将一个字节的32个bit位分为若干部分，每个部分存放不同的信息，这样就实现了节省空间的效果。

3. 枚举

枚举就是对一个变量取任何有可能的值，如：月份有12个月；颜色有很多种等等

3.1 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
};

当然，使用#define宏定义这些都是可以的，实际上枚举的出现就是为了简化#define的使用。那么枚举有什么用呢？

3.2 枚举的优点

我们可以使用#define 定义常量，为什么要使用枚举？

枚举的优点：

1. 增加代码的可读性和可维护性。也就是说，常量不仅仅是某个数值，枚举赋予它名字，使得程序可读性提高。

2. 和#define定义的标识符不同，枚举有类型检查，更加严谨。例如在C++文件中：

3. 防止了命名污染（封装），即将所有枚举值都封装在一个枚举类型中

4. 便于调试。
   

5. 使用方便，一次可以定义多个常量。相当于同时使用多个宏定义

3.3 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。

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，特征是这些成员共用同一块空间（所以联合也叫共用体）。
比如：

//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;
//计算两个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));

//联合类型的声明
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	//联合变量的定义
	union Un un;
	//打印联合变量、每个成员的地址
	//注意这里访问成员的方式
	printf("%p\n", &un);
	printf("%p\n", &un.c);
	printf("%p\n", &un.i);

	return 0;
}

这两个结果都出人意料，为什么呢？

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（因为联合至少得保存最大的成员）。

一道面试题

//判断大小端函数
int f()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;

	return u.c;
}

int main()
{
	if (1 == f())
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}

	return 0;
}

友情链接：大小端介绍（第二点）

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];
int i;
};
union Un2
{
short c[7];
int i;
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));

试着以上面的思路分析一下吧:D

结语

自定义类型是今后数据结构的基础，它是数据结构中常用的类型。各自自定义类型相似，但使用语法要注意，在学习过程中不要忘记动手。
欢迎指正！
如果你有收获的话，不妨给作者一个鼓励吧~