C语言进阶篇 四.自定义类型详解

目录

结构体

结构体类型的声明

结构的自引用

结构体变量的定义和初始化

结构体内存对齐

结构体传参

结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

枚举

枚举的优点

枚举的使用

联合

联合类型的定义

联合大小的计算

联合的特点

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结构体

结构体类型的声明

结构体的各种数据类型的集合，这些数据被称为结构体成员。创建结构体变量时，每个成员各自占有空间。

声明格式：

struct tag

{

member-list;

}variable-list;

或 声明匿名结构体

struct

{

int a;

char b;

float c;

}a[20], *p;

在声明时同时创建结构体指针变量p等，便于使用。

结构的自引用

struct Node

{

int data;

struct Node next;

};

结构体引用自身作为成员是错误的，原因是结构体的大小将是未知的

正确的做法是将结构体指针作为成员，如：

struct Node

{

int data;

struct Node* next;

};

注意typedef后的类型在结构体中还不能使用，例如

typedef struct

{

int data;

Node* next;//编译器还不认识Node

}Node;

正确的做法是：

typedef struct Node

{

int data;

struct Node * next;

}Node;

结构体变量的定义和初始化

定义结构体变量有多种方式，例如

struct Point{

int x;

int y;

}p1;//定义结构体变量p1

或者

struct Point p2;//定义结构体变量p2

初始化结构体变量

struct Point p3={3,5};

倘若是这样定义的结构体，还需嵌套初始化

struct Node

{

int data;

struct Point p;

struct Node* next;

}n1 = { 10, { 4,5}, NULL}; //结构体嵌套初始化n1,用{}初始化结构体成员结构体变量

struct Node n2 = { 20, { 5, 6}, NULL};//结构体嵌套初始化n2

结构体内存对齐

在计算结构体大小是需要考虑结构体内存对齐，结构体内存对齐存在的原因如下：

1.平台原因：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。

2.性能原因：在访问未对齐的内存，处理器需要访问两次，而对齐的内存只要访问一次

故数据结构（栈）应该尽可能在自然边界上对齐。

内存对齐规则：

1.第一个成员对齐到与结构体变量偏移为0的位置

2.其他成员对齐到各自对齐数的整数倍（对齐数是编译器默认对齐数与成员大小（字节数）的较小值）

3.结构体总大小为各个成员最大对齐数的整数倍

4.如果嵌套结构体，嵌套结构体对齐到自己成员最大对齐数的整数倍，结构体总大小是所有成员最大对齐数（含嵌套结构体的成员）的整数倍

VS2022编译器默认的对齐数是8，用#pragma pack(4）可以修改编译器的默认对齐数为4

再用#pragma pack()可以还原编译器的默认对齐数

用宏offsetof可以求结构体成员变量相对结构体首地址的偏移量

offsetof宏的实现

#define offsetof(StructName,MemberName) (size_t)&(((StructName*)0)->MemberName)

结构体传参

结构体传参通常传结构体的地址，即结构体指针，这样做节省内存的开销，因为结构体传参参数需要压栈，结构体较大时系统时间和空间开销大。

结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

位段是结构体中的一种特殊的类型，（位段不具跨平台性，注重可移植程序避免使用）位段声明规则如下：

1.位段的成员必须是整形（int，char）。

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字（数字表示开辟的bit位）。

位段的内存分配：

位段的空间上是按需以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟的（空间不够则直接重新开辟字节）

例如：

struct S {
 char a:3;
 char b:4;
 char c:5;
 char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 5; s.b = 12; s.c = 3; s.d = 4;

在VS下，在内存中布局如下（图有点草，c=3上面是00011打错了）：

可见位段在字节中是从右向左开辟，不够位段成员大小则重新在更高地址开辟一个字节

在编译器下查看结构体s的内存内容发现确实如此： 

注意：位段的跨平台问题（基于以下原因，位段不支持跨平台性）

1.int 位段不知道被当成signed int还是unsigned int。

2. 位段中最大位的数目不确定。（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）

3. 位段中的成员在内存中分配顺序标准未定义。（VS2022是从右向左）

4. 当后一个位段成员无法容纳于第一个位段成员剩余的位时，不确定是否舍弃剩余位（VS2022下是舍弃的）

枚举

枚举是指将可能取值一一列举的类型，例如

enum Color

{

RED,

GREEN,

BLUE

};

{}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,未被赋值的变量的值将是上一个枚举常量+1（第一个枚举常量是0）。

枚举的优点

相比define定义的常量，枚举有类型检查更加的严谨。

定义枚举类型一次定义多个常量快捷方便，枚举的常量有各自的名称且是同一个类型，增加了代码的可读性便于维护。

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
像clr=4；这样赋值是不合理的因为enum color类型和int 类型不同。

虽然enum Color和int类型不同，但编译器却能正常运作，求枚举类型的变量的大小发现是4个字节

 

联合

联合也是一种特殊的自定义类型，这种类型定义的变量包含一系列的成员，与结构体不同的是，这些成员公用一块空间，所以联合也叫共用体。

联合类型的定义

联合类型的声明

union Un

{

char c;

int i;

};

定义联合变量

union Un un;

联合大小的计算

因为联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合体类型变量的大小，至少是最大成员的大小，但这不是联合体类型变量的最终大小，因为联合体也存在内存对齐

规则是，联合体大小至少是最大成员的大小；若其不是联合体成员最大对齐数的整数倍，则还要对齐到整数倍。（数组对齐数是数组成员类型的对齐数）

例如：

 首先VS2022下编译器的默认对齐数是8，c的对齐数是1，i的对齐数是4，数组a的对齐数是1，

这样联合un的大小至少是5，然后对齐到4的整数倍8

为什么至少是5而不是4呢，数组a算一个成员还是数组中各个成员都算做联合体的一个成员？

下面的例子说明了：

可见整个数组a是联合体的成员，否则结果就是8而不是12了。 

联合的特点

因为联合体成员公用一块空间，联合的特点自然是内存的存储上与结构体有所不同。 

例如：

i的大小刚好是整个联合体的大小，c则是一部分，

故i=0x22334455（4字节）时，c就等于0x55（1字节），从内存中也很好理解。