结构体，枚举，联合
作者：互联网
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本章主要学习C语言中的自定义类型，即结构体、枚举、联合。
结构体
C语言本身具有的内置类型：
char
short
int
long
long long
float
double
但是对于复杂对象，C语言怎么描述？
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。
为什么要有结构？
生活中有很多复杂对象，比如我们需要描述一个人，要有姓名、年龄、身高、体重等等，描述一座城市，要有地名、占地面积、旅游景点、特色小吃等等，C语言内置类型并不能满足要求，我们就需要使用自定义类型来描述。
结构体类型声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list；
struct - 结构体关键字
tag - 结构体标签
member-list - 结构体成员
variable-list - 结构体变量
这里结构体的类型是 struct tag，variable-list可以省略。
下面我们来定义一个书的结构类型Book
struct Book
{
char name[20];
char author[20];
float price;
}b1;//全局变量b1
struct Book b2;//全局变量b2
int main()
{
struct Book b3;//局部变量b3
return 0;
}
结构体类型的特殊声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明，也就是结构体类型没有名字，所以这样的结构体只有在声明的同时创建结构体变量。
struct
{
int a;
char b;
float c
}s1,s2;
我们来看以下代码：
//匿名结构体类型
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;//结构体变量x
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;
//结构体数组a，结构体指针p
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag），我们看以下代码是否正确
p = &x；
答案是错误的，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。对于匿名结构体类型，使用要小心。
结构体的自引用
在结构中是否可以包含一个类型为该结构本身的成员呢？
举个例子
数据结构中的链表，每个结点存储数据并且存储了下一个结点的数据，我们定义如下形式的结点的结构体
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
这样可不可以？
答案是不行，为什么？
这样定义，struct Node的大小是未知的。
那么该如何定义？
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};
我们只需要记住下一个结点的地址即可，因为指针的大小是固定的，所以struct Node的大小是固定的。
我们再来看下面的代码：
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？
答案是不行，在结构体重命名之前结构体必须存在，此时的结构体是匿名结构体，结构体成员next的类型Node*此时并不存在，所以这样写是错误的。
正确的写法如下：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
在重命名之前结构体已经有名字Node，所以结构成员next的类型struct Node*已经存在。
结构体变量的定义的和初始化
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 = { 1, 2 };
struct Stu //类型声明
{
char name[15];
int age;
};
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
我们如何计算结构体的大小呢？
这里，首先得掌握结构体的对齐规则：
类型是不占用空间的，只有创建变量才会开辟空间。
1.结构体的第一个成员永远放在与结构体变量偏移量为0的地址处。
2.其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的 偏移地址处。
这个对齐数 = 编译器默认的对齐数 与 该成员大小的较小值。
- VS中默认的对齐数为8
- Linux没有默认对齐数
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.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最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。
//练习1
struct S1
{
char c1;//1 / 8 对齐数为1
int i;// 4/8 对齐数为4
char c2;// 1/8 对齐数为1
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
c1放在偏移量为0的位置
i的对齐数是4，所以要对齐到偏移量是4的整数倍的位置
c2对齐数是1，对齐到偏移量是1的整数倍的位置
最大对齐数是4，所以结构体大小是4的整数倍
结果是12。
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
c1的对齐数是1
c2的对齐数是1
i的对齐数是4
最大对齐数是4，结构体大小是4的倍数
结果是8。
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
d的对齐数是8
c的对齐数是1
i的对齐数是4
最大对齐数是8，所以结构的大小是8的倍数
结果是16。
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
char c1;//1/8 1
struct S3 s3;//最大对齐数是8
double d;//8/8 8
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
c1对齐数是1
s3对齐到自己的最大对齐数（8）的整数倍，这里也就是对齐到8的整数倍
d对齐数是8
结构体的最大对齐数是8，所以结构体的大小是8的整数倍
结果是32。
为什么要有字节对齐？
大部分的参考资料都是如是说的：
-
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。比如32位处理器，一次处理4个字节的数据，对于如下结构体类型
struct S
{
char c;
int n;
};
如果不存在对齐，在内存中，数据连续存储
此时如果我们读取数据，先读取4个字节，第一个字节是c，后面3个字节是n的前3个字节数据，然后再读取4个字节，此时才会把n的最后一个字节的数据读取到，所以得到n的数据，需要读取2次
如果是字节对齐的方式存储
第一次读取4个字节，得到c，3个字节是浪费掉的，第二次读取得到n的，这样只需要一次就得到n。
所以总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，应该怎么做呢？让占用空间小的成员尽量集中在一起
struct S1
{
char c1;//1/8 1
int i;//4/8 4
char c2;//1/8 1
};
//1+3+4+1+3 = 12
浪费了6个字节空间
再看一下代码
struct S2
{
char c1;//1/8 1
char c2;//1/8 1
int i;//4/8 4
};
//1+1+2+4=8
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，S2节省了内存空间。
修改默认对齐数
使用#pragma预处理指令修改默认对齐数
#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8
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));//12
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
return 0;
}
结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数，默认对齐数一般设置为2的n次方。
宏offsetof
计算结构体的成员相对于首地址的偏移量
offsetof不是函数，是一个宏
size_t offsetof( structName, memberName );
参数structName是类型名
头文件是<stddef.h>
#include <stddef.h>
struct S1
{
char c1;
int i;
char d;
};
int main()
{
printf("%d\n",offsetof(struct S1,c1));//0
printf("%d\n",offsetof(struct S1,i));//4
printf("%d\n",offsetof(struct S1,d));//8
return 0;
}
结构体传参
在c基础部分，我们已经学习过了结构体传参的内容，我们再来复习一下
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
//结构体传参
void print1(struct S tmp)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ",tmp.data[i]);
}
printf("\nnum = %d\n",tmp.num);
}
//结构体指针传参
void print2(struct S* ps)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ",ps->data[i]);
}
printf("\nnum = %d\n",ps->num);
}
int main()
{
struct S s = { {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10},100 };
print1(s);//值传递
print2(&s);//址传递
return 0;
}
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，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。所以为了提升效率，我们传递结构体的地址。
当传递的是结构体指针时，如果我们不允许在函数内部修改结构体的内容，那么形参可以定义成const struct S* ps，这样使用const保护了结构体的成员。
结论： 结构体传参的时候，要传结构体的地址。
位段
结构体实现 位段（位域） 。
位段中的“位”指二进制位。
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int （整型家族都可以）。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
struct A
{
int _a : 2;//2个bit位
int _b : 5;//5个bit位
int _c : 10;//10个bit位
int _d : 30;//30个bit位
};
一共是47个bit位，使用8个字节能存储。
位段可以节省空间。
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
下面代码的结果是多少？
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;
return 0;
}
这里，成员变量a占3个bit位，b占4个bit位，c占5个bit位，d占4个bit位，一共是16个bit位，理论上说2个字节正好够用，我们来分析一下，假设一个字节的空间，我们从右向左使用，假设当一个字节剩余的空间不足以放下后面的成员时，我们就重新开辟一个字节，前一个字节剩余的空间就浪费掉，根据我们的假设，画出下图
s.a = 10;//1010
s.b = 12;//1100
s.c = 3;//0011
s.d = 4;//0100
a占3个bit位，所以发生截断，010存入对应的位置，对于b,c,d也是如此操作
根据我们的假设，内存中存储的应该是十六进制的ox620304,那么到底是不是呢？我们在VS2019下运行代码测试一下就知道了，运行如下代码：
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;
printf("%#x\n",*((char*)&s));
printf("%#x\n",*((char*)&s+1));
printf("%#x\n",*((char*)&s+2));
return 0;
}
查看内存，发现内存中存储的数据以及打印的结果和我们设想的一致。
也就是说，在VS2019集成开发环境下，对于位段的使用，一个字节的空间是从右向左使用，当一个字节剩余空间不足以存放后面的成员时，会舍弃掉剩余的空间，重新开辟空间存放。那么在其他编译器下，对于位段是如何使用的呢？
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，在16位机器上写成27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。
所以，不同的编译器下对于位段的使用可能是不一样的，具体的使用情况由编译器来确定。
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（优点），但是有跨平台的问题存在（缺点：针对不同的平台写不同的代码）。
位段的应用
网络中对数据的封装
枚举
枚举就是一一列举。
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
颜色也可以一一列举。
这里就可以使用枚举来描述。
枚举类型的定义
enum是C语言的关键字，用来定义枚举数据类型，枚举描述的是一组类似于整型数值的集合。
在初阶C语言中，我们学习过，常量有4种，字面常量、const修饰的常变量、#define定义的标识符常量、枚举常量。
枚举类型是预处理指令#define定义常量的替代，枚举和宏其实非常类似，宏在预处理阶段将名字替换成对应的值，枚举在编译阶段将名字替换成对应的值，可以将枚举理解为编译阶段的宏。
如何定义枚举类型？
enum TypeName
{
member1,
member2,
...;
};
enum typeName是枚举类型的名字，花括号里面是枚举类型的所有可能取值，叫枚举成员（也叫枚举常量），是常量而不是变量，所以不能对它们赋值，只能将它们的值赋给其他的变量。
我们来看如下定义：
enum Day//星期
{
Mon,
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
定义枚举变量
有了枚举类型，该如何定义枚举变量呢？
方式一：先定义枚举类型，再定义枚举变量
enum Sex//性别
{
MALE,
FEMALE,
SECRET
};
int main()
{
enum Sex s;
}
方式二：定义枚举类型的同时定义枚举变量
enum Sex//性别
{
MALE,
FEMALE,
SECRET
}s;
枚举类型的特殊声明
当枚举类型和枚举变量放在一起定义时，枚举类型的名字可以省略不写，类似于匿名结构体声明，此时枚举类型没有名字，那么只能在声明时就定义枚举变量，否则之后再想定义枚举变量就没有办法定义了。
enum//颜色
{
RED,
GREEN,
BLUE
}c;
枚举的特点
1.默认情况下，枚举常量的值从0开始，依次递增1
enum week
{
Mon,//0
Tues,//1
Wed,//2
Thur,//3
Fri,//4
Sat,//5
Sun//6
};
int main()
{
printf("%d\n",Mon);//0
printf("%d\n",Tues);//1
printf("%d\n",Wed);//2
return 0;
}
2.可以指定枚举常量的值，之后没有指定值的枚举常量，默认递增1
enum Color
{
RED = 2,
BLUE,
GREEN = 5，
WHITE
};
int main()
{
printf("%d\n",RED);//2
printf("%d\n",BLUE);//3
printf("%d\n",GREEN);//5
printf("%d\n",WHITE);//6
return 0;
}
3.枚举常量的值是整数，但是并不是整型，枚举常量是枚举类型。
枚举自身就是一种类型，其中一个枚举常量占的字节数为4个字节，恰好和int类型的变量占的字节数相同，假设把这些枚举常量说明为整型，字符型或其他类型显然是不妥当的，因为枚举类型是一种基本数据类型。枚举成员都是常量，不能对他们进行赋值（可以初始化）。
4.枚举变量的值，只能是枚举常量
枚举常量的类型并不是整型，枚举常量和枚举变量都是枚举类型，所以不能直接将整型值赋值给枚举变量，需要进行强制类型转换。
enum Grade
{
A,
B,
C,
D,
E
};
int main()
{
enum Grade g = (enum Grade)1;
printf("%d\n",g);
return 0;
}
5.同一枚举类型中不同的枚举成员可以具有相同的值
enum Sex
{
MALE,
FAMLE,
SECRET = 1
};
int main()
{
printf("%d\n",FAMLE);//1
printf("%d\n",SECRET);//1
return 0;
}
6.同一个程序中不能定义同名的枚举类型，并且不同的枚举类型中也不能存在同名的枚举成员，即只能存在一个同名的枚举常量。
枚举列表中枚举常量的作用范围是全局的，更严格来说是 在main() 函数内部，所以不能再定义与它们名字相同的变量，否则会重定义。
7.枚举类型的数值的范围
枚举常量的大小是4个字节，恰好和int类型的变量占的字节数相同，同时枚举常量的值我们可以理解为是整型常量（并不准确），我们来测试一下
测试上限：
#include <limits.h>
enum Color
{
RED = INT_MAX,
};
int main()
{
enum Color c = RED;
printf("%d %d\n",INT_MAX,c);
return 0;
}
说明枚举类型的最大值是INT_MAX.
测试下限：
#include <limits.h>
enum Color
{
RED = INT_MIN,
};
int main()
{
enum Color c = RED;
printf("%d %d\n",INT_MIN,c);
return 0;
}
枚举类型的最小值是INT_MIN.
所以枚举类型的范围是INT_MIN ~ INT_MAX.
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。
#define定义的标识符常量是没有类型的，但是枚举常量属于枚举类型，有类型检查
3. 防止了命名污染（封装）
#define定义的标识符常量是暴露在全局范围内的
4. 便于调试
#define定义的标识符常量在预处理阶段就被完全替换了，所以在调试的时候是查找不到标识符常量的，只有对应的数值。宏在预处理阶段将名字替换成对应的值，枚举在编译阶段将名字替换成对应的值，可以将枚举理解为编译阶段的宏。
看如下代码：
我们调试代码，可以发现，调试时可以查看MON的值，并且MON是week类型
再看如下代码：
对于#define定义的标识符常量，在调试时我们是查找不到该常量的，因为在预处理阶段已经被数值替换掉了。
枚举常量不占用数据区的内存，而是直接被编译到命令里面，放到代码区，所以不能试图使用&获取它们的地址。
5. 使用方便，一次可以定义多个常量
枚举的使用
void menu()
{
printf("*****1.add 2.sub****\n");
printf("*****3.mul 4.div****\n");
printf("*****0.exit ****\n");
}
int add(int a,int b)
{
int c = 0;
c = a + b;
return c;
}
int sub(int a,int b)
{
int c = 0;
c = a - b;
return c;
}
int mul(int a, int b)
{
int c = 0;
c = a * b;
return c;
}
int div(int a,int b)
{
int c = 0;
c = a / b;
return c;
}
enum choice
{
EXIT,
ADD,
SUB,
MUL,
DIV
};
int main()
{
int choice = 0;
do
{
menu();
printf("请选择：>");
scanf("%d", &choice);
printf("请输入两个整数：>");
int a = 0;
int b = 0;
int c = 0;
scanf("%d %d", &a, &b);
switch (choice)
{
case ADD:
c = add(a, b);
break;
case SUB:
c = sub(a, b);
break;
case MUL:
c = mul(a, b);
break;
case DIV:
c = div(a, b);
break;
case EXIT:
printf("退出!\n");
break;
default:
printf("输入有误!\n");
break;
}
printf("结果为:%d\n",c);
} while (choice);
return 0;
}
case 关键字后面必须是一个整型常量，或者是整数常量表达式，ADD,SUB,MUL,DIV,EXIT这些枚举常量最终会被替换成一个整数，所以它们可以放在 case 后面。
联合体（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));
结果为4.
union U
{
char c;
int i;
};
int main()
{
union U u = { 1000 };
//1000
//原码：00000000 00000000 00000011 11101000
printf("%d\n",u.i);
printf("%d\n",u.c);//-24
//在内存中u.c中存储的是：11101000
//以%d有符号数打印u.c，需要进行整型提升，因为c的类型是char，是有符号数，
//整型提升：用符号位进行提升
//11111111 11111111 11111111 11101000 - 补码
//10000000 00000000 00000000 00010111 - 反码
//10000000 00000000 00000000 00011000 - 原码
//-24
return 0;
}
假设小端存储
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），联合体的大小 >= 最大成员的大小。
union Un
{
int i;
char c;
};
int main()
{
union Un un;
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%d\n", &(un.i));
printf("%d\n", &(un.c));
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
return 0;
}
假设小端存储
&(un.i) = &(un.c)
un.i= 0x11223355
联合的经典例题
判断当前计算机的大小端
使用联合
union U
{
char c;
int i;
};
int main()
{
union U u;
u.i = 1;
if (u.c == 1)
{
printf("小端存储\n");
}
else
{
printf("大端存储\n");
}
return 0;
}
大小端：一个数据大小大于1个字节，才有大小端之说。
联合大小的计算
1.联合的大小至少是最大成员的大小；
2.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。
我们来看下面的代码：
union Un1
{
char c[5];// 1/8 1
int i;// 4/8 4
};
因为数组c的元素个数是5，所以该数组等价于存放了5个char类型变量,所以对齐数是1，i的对齐数是4，所以联合体的最大对齐数是4，最大成员大小是5，但是5不是4的整数倍，所以联合的大小是8.
union Un2
{
short c[7];//2/8 2
int i;//4/8 4
};
数组c相当于7个short类型变量，对齐数是2，i的对齐数是4，联合体的最大成员大小是14,14不是4的整数倍，所以联合体的大小是16
结构体和联合体对比：
1.结构体的成员空间是相互独立的，联合体的成员共用一块空间。
2.对于结构的不同成员赋值相互之间不受影响； 在给联合体的任何一个变量赋值的时候就覆盖了其他的变量，也就是说只有刚赋值的这个变量存在，其他都被覆盖掉了。
3.结构体和联合体都适用于需要把一组变量放在一起考虑的场合。结构体对于描述一个对象的多个属性时比较方便，但是占用内存空间较大；联合体同时只有一个变量存在，占用资源少，但是使用不够方便。
4.结构体、联合体都存在字节对齐。
本章完。
标签：struct,int,char,枚举,联合,printf,对齐,结构 来源： https://blog.csdn.net/weixin_42836316/article/details/120336906