C语言进阶:自定义类型
作者:互联网
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自定义类型
C语言本身具有的内置类型如
int, float, double...
,同时也提供可自定义的自定义类型或构造类型如结构体,枚举,联合体。
结构体
结构是一些值的集合,这些值被统称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。所以结构可以用来描述一个复杂的对象,其中成员即是对象的各种属性。
结构体的声明
struct tag {
member_list;
}value_list;
struct
是结构体的关键词,tag
是结构体的标签名,member_list
是定义成员变量的列表,value_list
是用该结构体类型创建的全局变量的列表,可缺省。
struct Book {
char name[20];
char author[20];
double price;
}b1, b2;
struct Book b3 = { 0 };
int main(){
struct Book b4 = { 0 };
return 0;
}
上述是结构体描述书籍的例子,这里的
b1
,b2
和b3
完全等价都是全局变量,而在main
函数中定义的b4
为局部变量。
匿名形式声明
struct {
int a;
char c;
double d;
}s1, s2;
定义匿名结构体类型,省去标签名,所以只能在成员列表处创建变量。
Example
struct {
int a;
char c;
double d;
}s1, s2;
struct {
int a;
char c;
double d;
}*ps;
int main() {
ps = &s1;//指针类型不兼容
return 0;
}
如上述代码所示,使用同样的匿名结构体创建一个结构体指针ps
,并存入s1
的地址。
乍一看貌似可以,也就是说两个匿名结构体虽然成员相同,但编译器默认为两个结构体类型。二者属于两种类型的变量,所以会提示指针类型不兼容。
结构体自引用
结构体中该如何引用自身类型的变量呢?或者说,在定义结构体时包含自身类型的成员变量是否可行呢?
Example 1
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
如果可行的话,如何计算该结构体所创建的变量的大小呢?自身嵌套一个同类型的结构体变量,如果一直嵌套下去是无法计算出大小的。所以显然是错误的。
Example 2
struct Node
{
//数据域
int data;
//指针域
struct Node* next;
};
类似于数据结构中链表的使用方法,使用指针存入下一个节点的地址。如图:
data
被成为数据域,结构体指针next
被成为指针域。这才是结构体自引用的正确方法。
注意
typedef struct {
int data;
Node* next;
}Node;
typedef
将结构体重命名为Node
,但这在定义结构体之后才能生效,所以在结构体定义中,编译器无法识别该类型名。
typedef struct Node {
int data;
struct Node* next;
}Node;
上述方案才是正确方法,当然这里的typedef
重命名对于结构体定义部分来说仍然是无意义的,所以说匿名结构体的功能非常鸡肋,不用也罢。
结构体变量的定义
struct Point {
int x;
int y;
}p2 = { 3,3 }, p3 = { 4,4 };
struct Point p4 = { 1,2 };
struct S {
double d;
struct Point p;
char n[10];
};
int main()
{
struct Point p1 = { 3,4 };
struct S s = { 3.14, {1,1}, "zhangsan"};
printf("%lf %d,%d %s\n", s.d, s.p.x, s.p.y, s.n);
return 0;
}
p1
,p2
和p3
,p4
分别采用不同的定义和初始化方式。
p1
是main
函数内部定义的局部变量,p2
和p3
是在结构体变量列表内定义的全局变量,p4
是直接用结构体类型定义的全局变量。
- 结构体
s
内部嵌套了一个p
变量。
结构体传参
在C语言初阶时,就已经介绍过结构体传参的两种方式:传值调用和传值调用。如:
struct S {
int data[1000];
int num;
};
void Print1(struct S tmp) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", tmp.data[i]);
}
printf("\n%d\n", tmp.num);
}
void Print2(struct S* ps) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
printf("%d ", ps->data[i]);
}
printf("\n%d\n", ps->num);
}
int main()
{
struct S s = { {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},100 };
Print1(s);
Print2(&s);
return 0;
}
通过结构体内存对齐,可以看出结构体传值调用时,不止开辟了表面大小的空间。结构体过大,参数压栈的系统开销就大,导致性能下降。结构体传参还是选择传址调用。
结构体内存对齐
在掌握结构体的基本使用后,进一步深入探讨结构体的大小,所占的内存空间。那就要研究一个不可避免的问题:内存对齐。而内存对齐在结构体这里体现的尤为明显,所以也叫结构体内存对齐。
struct S1 {
char c1;
int a;
char c2;
};
struct S2 {
char c1;
char c2;
int a;
};
int main()
{
struct S1 s = { 'x',100,'y' };
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
return 0;
}
上述代码可以,看出结构体的成员变量位置不同,结构体大小也不同。至于原因,且看下文分解:
内存对齐的规则
- 结构体第一个成员永远位于结构体距起始位置偏移量为0的位置。
即首个成员一定放在为结构体所开辟的内存空间的第一个位置。
- 从第二个成员开始,各自放在偏移量为该变量对齐数的整数倍处。对齐数为变量自身大小和编译器默认对齐数的较小值。
Linux环境下无默认对齐数,Windows环境下对齐数为8。而一般无变量类型所占字节大于8,故对齐数一般为变量的自身大小。
- 结构体的总大小必须为所有成员变量的对齐数的最大值的整数倍。
笔者猜测是为了凑齐读取域宽的整数倍,不至于让之后创建的变量紧随其后而造成不必要的麻烦。
- 若结构体嵌套,内嵌结构体对齐到其成员最大对齐数的整数倍处,整体结构体总大小须为其成员最大对齐数的整数倍。
由第3条可推得,内嵌结构体和整个结构体同样都是结构体,都要对齐到各自成员变量对齐数的最大值的整数倍处。而一般整个结构体的最大成员变量都是内嵌结构体。
偏移量:距起始位置的字节个数,相当于下标位置。如第1个字节的偏移量为0,第2个字节的偏移量为1。
现在再来看上面的例子:
//1.
struct S1 {
char c1;
int a;
char c2;
};
//2.
struct S2 {
char c1;
char c2;
int a;
};
c1
放在偏移量为0的地址处,a
的对齐数为4则放在偏移量为4的地址处浪费3个字节,次之c2
对齐数为1偏移量为任意位置故紧随其后。共占9个字节,但总大小需为4的倍数,所以再浪费3个字节,共12个字节。c1
和c2
对齐数都为1,随后a
对齐数为4故放在偏移量为4的地址处,正好一共8个字节。
Example
求出下列结构体所创建的变量的大小。
//3.
struct S3 {
double d;
char c;
int a;
};
//4.
struct S4 {
char c1;//1
struct S3 s;//8
double d;//8
};
- 嵌套结构体所占内存为16个字节,但其最大对齐数为8,所以整个结构体的成员变量对齐数的最大值即为8。
存在内存对齐的原因
这样的内存对齐的机制,显得又浪费空间又使得计算繁琐,但是它的存在是有很必要的,虽没有官方明确的解释,但是也可总结为以下两点:
- 移植原因
不是所有硬件平台都能任意的读取地址上的任意数据。某些平台只能在特定的地址处以特定的方式读取特定的数据。如只在地址为4的倍数处读取,且每次读取4个字节的数据。平台之间移植性差。
- 性能原因
数据应尽可能地存储在地址的自然边界上并对齐,以防止同一块空间的数据要作两次访问,提升读取数据的效率。
总结就是内存对齐是为了牺牲空间复杂度降低时间复杂度,以空间换取时间。当然我们要做的就是尽己所能既节省空间又节省时间
结构体中不同的变量放在不同的位置,结构体所占的大小不同。让占用空间小的成员集中在后面,可以是实现一定程度上的节约空间。
默认对齐数的修改
//设置默认对齐数
#pragma pack(n);
struct Tag {
member_list;
};
//恢复默认对齐数
#pragma pack();
默认对齐数是可以被修改的,使用前设置,使用后取消。当认为结构体的默认对齐数不适当时,可自行设置。同时对齐数 n n n 一般都设置为 2 n 2^n 2n 。
Example
实现宏计算结构体中某变量相对于首地址的偏移量。
#include <stddef.h>
struct S1 {
char c1;
int a;
char c2;
};
int main()
{
printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));
printf("%d\n", offsetof(struct S1, a));
return 0;
}
位段
位段的定义
位段的声明和结构体类似,但又两点不同。
- 类型不同:位段的成员必须是整型变量,如
char,int,unsigned int
等。 - 写法不同:位段的成员名后使用
:
和数字
来规定分配的空间。如:
struct A {
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
计算位段A
的大小得8,而4个整形变量最小占16个字节。说明位段一定程度上可以节省空间。
位段中的“位”表示二进制位,而:
后的数字代表系统分配给该变量的比特位数。
在描述对象时,属性变量中的所有位数不一定全部使用,使用位段可以规定系统分配给变量的空间。当然数据过大仍会溢出。
位段的内存分配
- 系统按成员变量类型来为位段开辟空间,一次性开辟一个变量类型大小的空间。
如该成员为
int
型,则一次开辟4个字节,若不够则再开辟4个字节。若为char
类型,则开辟1个字节。
- 位段使用时涉及很多不确定因素,程序可移植性差,故位段是不跨平台的。
如图所示,先开辟4个字节的空间,
a
占用2bit,b
占用5bit,c
占用10bit。这4个字节还剩15个bit不够d
的存放,必然要在开辟4个字节的空间。这就是算出来的8个字节。
问题是d
接着一半存放在第一个字节一半存放在第二个字节,还是全部存放在新开辟的空间内?
不同的编译环境下可能会产生不同的结果,这是C标准中未规定的内容。笔者在此仅考虑Windows环境的情况,请看接下来的例子。
struct S {
char a : 3;
char b : 4;
char c : 5;
char d : 4;
};
struct S s = { 0 };
int main() {
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
return 0;
}
对位段变量进行赋值操作,就又带来了一个问题单个字节内先使用高地址还是低地址?这也是标准未规定的。
我们先进行假设:位段中先使用高地址再使用低地址,同时剩余空间不足则将其抛弃并重新开辟。如果vs中的最后结果和预期一致,则假设正确。
我们按照假设写出位段的内存情况:
(
0110
0010
0000
0011
0000
0100
)
2
(
6
2
0
3
0
4
)
10
(\ 0110\ 0010\ 0000\ 0011\ 0000\ 0100\ )_{2} \\(\quad 6 \;\quad 2 \qquad 0 \qquad 3 \qquad 0 \quad\; 4\quad)_{10}
( 0110 0010 0000 0011 0000 0100 )2(620304)10
vs显示结果和我们的假设完全相符。故假设正确。所以可以得出结论,在vs环境下:
- 每次开辟空间所开辟的字节个数,由需开辟空间的成员变量的类型所决定。
- 内存使用时,先使用低字节再使用高字节,单个字节内从高位到低位使用。
- 所开辟内存空间不足时,抛弃剩余内存,重新开辟类型大小的空间。
由于这些规则C标准并未明确规定,因而这些结论因编译器而异。所以位段的平台移植性差。
位段的跨平台问题
int
位段的最高位是否被当做符号位不确定。- 位段中成员类型的所占比特位数目不确定。
早期16位机器
int
占2个字节共16个比特位,而变量分配bit位数目不得多于最大值。
- 位段成员在内存中先使用高地址还是低地址不确定。
- 所开辟内存空间不足时,是否抛弃剩余内存重新开辟还是接着使用剩余内存不确定。
位段的应用
和结构相比,位段可达到同样的效果,可以节省空间,但是需使用小心且跨平台性差。而位段可以应用到网络协议中,不至于浪费大量的空间,网络传输协议中每几个比特位成一组用于传输不同的数据。
枚举类型
枚举顾名思义一一列举,有很多数据可以列举出来,如:性别,月份,颜色等。
枚举的定义
enum Tag {
con1,
con2,
...
con3
};
enum
是枚举关键字,Tag
是枚举对象名;con1,con2,...,con3
是枚举常量列表。
同时枚举就相当于整形常量,故所有枚举常量都是4个字节。
//星期
enum Day {
Mon,
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
//性别
enum Sex {
FAMALE,
MALE,
SECRET
};
//颜色
enum Color {
RED,
GREEN,
BLUE
};
上述定义的
enum Day
,enum Sex
,enum Color
都是枚举类型。{}
内是枚举类型的可能取值,即枚举常量。
枚举常量取值默认从0开始,依次递增。也可进行(完全或不完全)初始化对其赋初值,所初始化常量之前的常量取值不受影响,之后的常量仍然依次递增。
当然常量只能进行初始化,而不能进行赋值操作。
//1.
enum Color c = GREEN;
//2.
enum Color c = 1;
上述操作为创建枚举类型的变量,赋值为GREEN
。
C语言对语法的检测没有那么严格。所以1和2都行。在C++中认为
1
是字面常量而GREEN
为枚举常量。二是不相等的,所以不能赋值。
枚举的优点
- 提高代码可读性和可维护性
#define
定义的常量不如枚举常量有意义,且枚举常量是具有类型的更严谨。
- 防止命名污染
#define
定义的常量属于全局常量,易冲突。
- 便于调试
#define
定义的常量在预编译期间就已经被替换,该常量已不复存在。而枚举类型一直存在有值有类型便于调试。
- 使用方便
一次可定义多个常量,且便于管理。
枚举的使用
/*
* 计算器
* 使用枚举常量
* */
enum Option {
EXIT,//0
ADD,//1
SUB,//2
MUL,//3
DIV,//4
};
int Add(int x, int y) {
return x + y;
}
int Sub(int x, int y) {
return x - y;
}
int Mul(int x, int y) {
return x * y;
}
int Div(int x, int y) {
return x / y;
}
void Calc(int (*pf)(int, int)) {
int a = 0;
int b = 0;
printf("请输入操作数:>");
scanf("%d %d", &a, &b);
printf("%d\n", pf(a, b));
}
void menu() {
printf("*************************\n");
printf("**** 1.ADD 2.SUB ****\n");
printf("**** 3.MUL *** 4.DIV ****\n");
printf("******* 0.exit ********\n");
printf("*************************\n");
}
int main()
{
int input = 0;
do {
menu();
printf("请选择\n");
scanf("%d", &input);
switch (input) {
case ADD:
Calc(Add);
break;
case SUB:
Calc(Sub);
break;
case MUL:
Calc(Mul);
break;
case DIV:
Calc(Div);
break;
case EXIT:
break;
default :
printf("选择错误\n");
break;
}
} while (input);
return 0;
}
联合体
联合是一种特殊的自定义类型,同样包含一系列成员,特殊在于这些成员共用同一块空间。所以联合体也叫共用体。
联合的定义
union Un {
char c;//1
int i;//4
};
int main()
{
union Un u = { 0 };
printf("%d\n", sizeof(u));
return 0;
}
算出该联合体变量大小为4个字节,可一个整型和字符型变量最少也要5个字节,为什么会这样呢?
联合的特点
printf("%p\n", &u);//00EFF934
printf("%p\n", &u.c);//00EFF934
printf("%p\n", &u.i);//00EFF934
从上述代码可以看出
c
,i
共用4个字节。
-
改变
i
就会改变c
,改变c
就会改变i
。故使用时仅可以使用1个成员,另一个成员也会被修改。 -
联合的成员共用一块空间,故联合体变量的大小是至少是最大成员的大小。
Example
利用联合体判断当前机器的大小端存储。
int check_sys() {
union U {
char c;
int i;
}u;
u.i = 1;
return u.c;
}
int main()
{
if (check_sys() == 1) {
printf("小端存储\n");
}
else {
printf("大端存储\n");
}
return 0;
}
联合大小的计算
而联合体也存在内存对齐。这个内存对齐相对结构体来说就简单一些了。
//1.
union Un1 {
char c[5];
int i;
};
//2.
union Un2 {
short c[7];
int i;
};
int main() {
printf("%d\n", sizeof(union Un1));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));
return 0;
}
- 联合体变量大小至少是最大成员的大小。
- 当最大成员大小不够最大对齐数的整数倍时,对齐到最大对齐数的整数倍处。
因为联合体所有成员共用一块空间,故算出最大成员大小后,只在最后需要再浪费几个字节的空间以对齐到最大对齐数的整数倍。
原大小应为5个字节,最大对齐数应为4,则要对齐到8个字节。
原大小应为14个字节,最大对齐数应为4,则要对齐到16个字节。
标签:struct,自定义,int,C语言,位段,对齐,字节,结构,进阶 来源: https://blog.csdn.net/yourfriendyo/article/details/120439658