【C语言】结构体，枚举，联合等自定义类型详细介绍

目录

结构体

结构体声明

结构体成员的访问

结构体自引用 

结构体变量定义，初始化，传参 

结构体内存对齐 

位段

枚举

联合(共用体)

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结构体

结构体声明

1. 概念

1. 结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。

2. 结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

3. 数组：一组相同类型元素的集合，结构体：一组不一定相同类型元素的集合。

4. 结构体的成员可以是标量、数组、指针，甚至是其他结构体。

2. 声明

例子

假设我们要用结构体表示一个学生类型

struct Stu
{   
    char name[20]; //名字
    int age; //年龄
    char sex[5]; //性别
};

我们还可以这样写，这样表示直接用这个结构体类型创建s1和s2变量。

struct Stu
{   
    char name[20]; 
    int age; 
    char sex[5]; 
}s1, s2;

也可以这样创建变量。

struct Stu s3;

2. 特殊的声明 

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：匿名结构体类型。

接下来我这样写。

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

请问我可以写 p = &x; 吗？答案是不行。虽然成员是一样的，但编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。

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结构体成员的访问

1. 结构体变量访问成员

结构体变量的成员是通过点操作符(.)访问的。点操作符接受两个操作数。

比如：

struct Stu
{
     char name[20];
     int age;
};
 
struct Stu s;
strcpy(s.name, "zhangsan");//使用.访问name成员
s.age = 20;//使用.访问age成员

2. 结构体指针访问成员 

有时候我们得到的不是一个结构体变量，而是指向一个结构体的指针，那该如何访问成员？

struct Stu
{
    char name[20];
    int age;
};
 
void print(struct Stu* ps)
{
    printf("name = %s   age = %d\n", (*ps).name, (*ps).age);
    //使用结构体指针访问指向对象的成员
    printf("name = %s   age = %d\n", ps->name, ps->age);
}
 
int main()
{
    struct Stu s = {"zhangsan", 20};
    print(&s);//结构体地址传参
    return 0;
}

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结构体自引用 

1. 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

比如这样写可以吗？

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

答案是不行，因为无法计算struct Node有多大，无限套娃。

正确写法：

//结构体的自引用
struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};

2. 搭配 typedef 的写法 

错误写法：

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

正确写法：

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

这里的执行逻辑是我们先对这个类型重命名之后产生Node，也就是说重命名之前的写法必须是正确的。

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结构体变量定义，初始化，传参 

1. 定义，初始化

有了结构体类型，那如何定义变量呢？如何初始化呢？

有两个地方可以定义变量。定义变量的同时也能初始化。

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1 = {1, 2}; //第一种方法，这里创建的变量是全局变量，同时也能初始化               
 
int main()
{
    struct Point p2 = {3, 4}; //第二种方法，这里创建的变量是局部变量，同时初始化
 
    struct Point p3 = {.y=5, .x=6}; //这里用了结构成员访问符，可以不按顺序初始化
 
    return 0;
}

2. 嵌套初始化 

我们想一个问题，结构体里面有没有可能出现结构体类型的数据呢？答案是有可能的。

比如：

struct Point
{
    int x;
    int y;
};
 
struct PP
{
    double d;
    struct Point pt;
    int a;
}

那么这个怎么初始化呢？

很简单，嵌套的那个结构体自己加一对大括号就好了。

int main()
{
    struct PP p = {3.14, {1, 2}, 8};
    printf("%d\n", p.pt.x); //想要访问嵌套的结构体只需用多一次 . 即可    
 
    return 0;
}

3. 结构体传参

下方代码中传结构体与传结构体地址哪个好一些？

struct S
{
     int data[1000];
     int num;
};
 
 //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()
{
    struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
    print1(s);  //传结构体
    print2(&s); //传结构体地址
 
    return 0;
}

答案：传结构体地址。

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。 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。

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结构体内存对齐 

1. 计算结构体的大小

想了解内存对齐我们得先思考下面这个例子

struct S1
{
    char c1; //1
    int i; //4
    char c2; //1
};
 
 struct S2
 {
     char c1; //1
     char c2; //1
     int i; //4
 };
 
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
 
    return 0;
}

经过分析我们认为都是6，因为1+1+4嘛，然而结果是S1大小为12，S2大小为8。为什么？

因为这里面就涉及到结构体内存对齐了。

2. 结构体的对齐规则

1. 结构体的第一个成员永远放在与结构体变量起始位置偏移量为0的位置。

2. 从第二个成员开始，往后每个成员都要对齐到对齐数的整数倍处。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。Linux中没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。

3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍。最大对齐数是所有成员的对齐数的最大值。

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，

结构体的总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。

3. 练习 

struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

答：16

解析：1. d的对齐数是8，但因为d是第一个成员所以直接放在偏移量为0的位置，d是8个字节占用偏移量0到7的位置。

2. c的对齐数是1，此时偏移量为8是1(对齐数)的整数倍，c是1个字节占用偏移量为8的位置。

3. i的对齐数是4，此时偏移量为9不是4(对齐数)的整数倍，一直往后到偏移量12的位置，此时是4(对齐数)的整数倍，i是4个字节占用12到15的位置。

4. 偏移量从0到15，所以总大小为16，16是8(最大对齐数)的整数倍。

.

下面这个结构体嵌套了结构体，这大小该如何计算呢？

struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
 
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

答：32

解析：1. c1对齐数是1，因为是第一个成员所以放在偏移量为0的位置，c1是一个字节所以占用一个位置。

2. s3是结构体所以s3的对齐数是自己成员的最大对齐数是8，此时的偏移量是1不是对齐数的整数倍所以一直移到偏移量为8的位置，s3是16个字节占用8到23的位置。

3. d的对齐数是8，此时偏移量为24是对齐数的整数倍，d是8个字节占用24到31的位置。

4. 偏移量从0到31一个32个位置是所有最大对齐数的整数倍。

4. 为什么存在内存对齐? 

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，否则抛出硬件异常。

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。

.

那我们如何设计结构体既能满足对齐又能节省空间呢？

答案：让占用空间小的成员尽量集中在一起。

比如下面代码，S2就比S1省空间。

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
 
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};

5. 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

结论：结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

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位段

1. 什么是位段

位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：A就是一个位段类型。

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

那位段A的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

答案：8字节

因为位段的位是二进制位，意味着_a占两个比特位，_b占5个比特位，_c占10个比特位，_d占30个比特位，一个是47个比特位，一个int32字节不够，所有给了两个int。

.

那有同学要问了，为什么要弄位段呢？

其实有时候我们设计结构体成员的时候，它的取值非常有限，可能只会用到几个比特位，剩下的比特位给其他成员用，这样可以节省空间。

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 (属于整形家族)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，位段是不跨平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。

.

这里的不确定因素包括：

1. 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。

2. 当一个位段成员占用比特位比较大需要开辟新空间时，前面空间剩余的比特位是使用还是舍弃不确定。

3. int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。

4. 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)。

不确定就会导致不同的平台有不同的实现。

3. VS环境位段的内存分配 

这个62 03 04是如何来的呢？请听我细细道来。

第一步，根据每个成员后面的数字分配比特位，在VS中位段的内存分配是从右到左的。并且，当需要开辟新空间时，前面剩余的比特位不使用。

第二步，根据上面代码将数值转成二进制初始化，s.a=10,比特位是1010，但a只有三个比特位，所以高位的1会舍去。

第三步，转成十六进制，四个比特位转一个十六进制数。

4. 位段的应用 

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枚举

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
};

1. 以上定义的 enum Day，enum Sex，enum Color 都是枚举类型。

2. { }中的内容是枚举类型的可能取值，也叫枚举常量。

3. 这些可能取值都是有值的，默认从0开始，依次递增1，在声明枚举类型的时候也可以赋初值。比如：

enum Color
{
     RED=1,
     GREEN=8,
     BLUE
};

这个BLUE的值是在前面的基础上递增1，也就是9。

2. 枚举的使用

只能拿枚举常量给枚举变量赋值，才不会出现类型的差异。

enum Color
{
     RED=1,
     GREEN=2,
     BLUE=4
};
 
enum Color clr = GREEN;

3.  枚举的优点

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。

3. 便于调试。

4. 使用方便，一次可以定义多个常量。

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联合(共用体)

1. 联合类型的定义

1. 联合是一种特殊的自定义类型。

2. 这种类型定义的变量包含一系列的成员，特征是这些成员公用同一块空间，所以联合也叫共用体。

例子：

//联合类型的声明
union Un
{
     char c;
     int i;
};
 
//联合变量的定义
union Un un;

2. 联合的特点 

1. 联合的成员是共用同一块内存空间的。

2. 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。

例子：

我们可以看出，这个联合类型大小为4且成员的地址都相同。

如图，i 和 c 共用同一块空间。

.

所以当我们修改 c 的时候，i 也会跟着变。

3.  面试题：判断当前计算机的大小端存储

之前我们学到用指针来判断，这次我们利用联合判断。

思路：i = 1 有两种存储字节序，一种是 00 00 00 01，一种是 01 00 00 00，所以我们就对比第一个字节即可。

int main()
{
	union 
	{
		char c;
		int i;
	}un = {.i = 1};
	//判断第一个字节是1还是0
	if ((int)un.c) printf("small\n");
	else printf("big\n");
 
	return 0;
}

4.  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。

例子1：

union Un1
{
     char c[5];
     int i;
};

答：Un1大小是8字节。

解析：首先c是char数组大小为5，i大小为4，那么Un1大小至少为5，然后我们看5是不是最大对齐数的整数倍，c的对齐数是1因为c的元素类型是char，i的对齐数是4，所以总大小要从5提升到8。

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例子2

union Un2
{
     short c[7];
     int i;
};

答：16字节。

解析：第一步，c的大小为14，i的大小为4，那么可以确定Un2的大小至少为14。第二步，判断14是不是最大对齐数的整数倍，很明显14不是4的整数倍，所以14增加到16。