C语言 --- 自定义类型(万字详解)_c语言输入自定义类型

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前言

以后我们都会熠熠生辉的，不然对不起这份苦
本章我们来一起学习自定义类型：结构体、枚举、联合

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一、结构体

看过之前文章的都知道，我们之前就简单了解过结构体，所以在这里我们来简单回顾一下吧
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

1.结构体类型的声明

1.1.结构体类型和声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

1.2.匿名结构体 — 特殊的声明

#include<stdio.h>
//匿名结构体类型
struct
{
	char c;
	int a;
	double d;
}s1; //匿名结构体类型后面直接带变量是可以用的
int main()
{
	//struct s2;这种是不对的

	return 0;
}
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注意：
在我们看来两个结构体类型的成员是一模一样的，但在编译器看来他们是两个完全不一样的类型;(编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。)

#include<stdio.h>
//匿名结构体类型
struct
{
	char c;
	int a;
	double d;
}s1; //匿名结构体类型后面直接带变量是可以用的
struct
{
	char c;
	int a;
	double d;
}*ps;//匿名结构体类型的指针
int main()
{
	ps = &s1;
	//struct s2;这种是不对的

	return 0;
}
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1.3.结构的自引用

在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?

#include<stdio.h>
struct Node
{
	int date;
	struct Node next;
};
int main()
{
	return 0;
}
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上面代码如果可以的话，那sizeof(struct Node)是多少？
很显然我们不知道

所以当结构体要找到另一个跟自己同类型的结构体时我们可以采用以下方式来产生联系(自己类型中包含一个自己类型的指针)
这样我们就知道sizeof(struct Node)是多少了

#include<stdio.h>
struct Node
{
	int date;//4字节
	struct Node *next;//4 / 8字节
};
int main()
{
	struct Node n1;
	struct Node n2;
	n1.next = &n2;
	return 0;
}
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我们来回顾一下typedef来补充一个知识点：

用typedef对这个匿名结构体重命名时S就是一个结构体类型而不是结构体变量

#include<stdio.h>
typedef struct
{
	int date;
	char c;
}S;
int main()
{
	return 0;
}
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那我们来看一下这个题吧：
这种代码可以吗？
显然是不可以，前面还没有把这个结构体命名为Node，只有这个完整的类型才能重命名为Node,但是里面使用了Node所以有一个先后错误

#include<stdio.h>
typedef struct
{
	int date;
	Node* next;
}Node;
int main()
{
	return 0;
}//(erro)
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所以不要根据天马行空的想象来写哦：我们可以采用下面这种形式

#include<stdio.h>
typedef struct Node
{
	int date;
	struct Node* next;
}Node;
int main()
{
	return 0;
}
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1.4.结构体变量的定义和初始化

首先我们来看一个结构体变量的定义吧：下面这几种定义类型都是正确的哦~

#include<stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	float weight;
}s4, s5, s6;//这里的s4 s5 s6是全局变量
struct Stu s7;//这里的s7是全局变量
int main()
{
	//这里的s1 s2 s3是局部变量
	struct Stu s1;
	struct Stu s2;
	struct Stu s3;
	return 0;
}
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然后，就到了我们的初始化了，这里我们之前的章节也有过简单的提及哦~
注意：

结构体初始化要用{ }哦，当然结构体里面套用结构体需要采用{ { } }，而且打印结构体时我们可以默认顺序打印(例如s1 b2)，也可以不按顺序打印(s3) — s3这种打印就需要用到我们的结构体成员访问操作符 — ".“访问和”->“访问。对于结构体里面套用结构体，我们打印时需要多次使用”."访问(例如我们下面打印的b2)

#include<stdio.h>
struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	float weight;
}s4, s5, s6;
struct Stu s7;
struct B
{
	float f;
	struct Stu s;
};
int main()
{

	struct Stu s1 = {"zhangsan",20,110.0};
	struct B b2 = { 35.6,{"lisi",19,45.7} };
	struct Stu s3 = { .age = '20',.name = "wangwu",.weight = 55.6 };
	printf("%.2f %d %s %.2f", b2.f, b2.s.age, b2.s.name, b2.s.weight);
	return 0;
}
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对于这种复杂的结构体初始化：
这里我们可以给它一个地址也可以给一个空指针(NULL);

#include<stdio.h>
struct S
{
	char name[100];
	int* ptr;
};
int main()
{
	int a = 100;
	struct S s = { "abcdef",NULL };
	struct S s = { "abcdef",&a };
	return 0;
}
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1.5.结构体内存对齐

现在我们深入讨论一个问题:计算结构体的大小。
这也是一个特别热门的考点:结构体内存对齐

首先我们来看一下下面这个代码吧：
你觉得答案会是什么呢？
答案：
8 12 12

#include<stdio.h>
struct S1
{
	int a;
	char c;
};
struct S2
{
	char c1;
	int a;
	char c2;
};
struct S3
{
	char c1;
	int a;
	char c2;
	char c3;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
	return 0;
}
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1.结构体的第一个成员永远都放在0偏移处
2.从第二个成员开始，以后的每个成员都要对齐到某个对齐数的整数倍处这个对齐数是:成员自身大小和默认对齐数的较小值
备注:
VS环境下默认对齐数是8
gcc环境下没有默认对齐数，没有默认对齐数时，对齐数就是成员自身的大小
3.当成员全部存放进去后，结构体的总大小必须是，所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍。如果不够，则浪费空间对齐。
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所有最大对齐数（(含嵌套结构体的对齐数)的整数倍。

根据这个规则我们来看看第一组结构体吧：

struct S1
{
	int a;
	char c;
};
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首先int a放在0偏移处，共四个字节，char c一个字节，VS默认对齐数是8，成员自身大小和默认对齐数较小值是成员自身大小也就是1，也就是c只要对其到1的倍数就可以了，观察下图我们可以看到总共是5个字节，这时所有的成员全部放进去了，int a的自身大小是4，默认对齐数是8，所以较小值也就是4；char c一个字节，VS默认对齐数是8，所以较小值是1，在4和1中所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍也就是4的整数倍，那5是4的整数倍吗？显然不是，所以会浪费空间，浪费三个空间，然后从前往后数0~7共是8个字节，显然是4的倍数所以最终结果是8

那我们换一下位置结果会改变吗？在存储的时候顺序会改变吗

struct S1
{
	char c;
	int a;
};
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首先char c放在0偏移处，共一个字节，int a四个字节，VS默认对齐数是8，成员自身大小和默认对齐数较小值是成员自身大小也就是4，也就是a只要对齐到4的倍数就可以了，观察下图我们可以看到从0偏移处到4偏移处共浪费了3个字节，然后a从4偏移处偏移四个字节，这时所有的成员放进去了，共8个字节，int a的自身大小是4，默认对齐数是8，所以较小值也就是4；char c一个字节，VS默认对齐数是8，所以较小值是1，在4和1中所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍也就是4的整数倍，那8是4的整数倍吗？显然是，但是也会浪费三个空间，从前往后数0~7共是8个字节，显然是4的倍数所以最终结果是8

如果不相信的话我们来测试一下吧：

这里要补充一个知识点：offsetof宏 从结构类型的开头返回字段成员的偏移量。这个宏可是很重要的，因为组成结构的字段的大小可能因实现而异，并且编译器可能在字段之间插入不同数量的填充字节。因此，元素的偏移量不一定由前一个元素的大小之和给出。如果成员不与字节边界对齐（例如，它是位字段），则会产生编译器错误。

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S
{
	char c;
	int a;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\n", offsetof(struct S, c));//0
	//计算的就是偏移量
	printf("%d\n", offsetof(struct S, a));//4
	return 0;
}
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很显然，c的偏移量就是0而a的偏移量是4中间浪费了三个空间
那我们根据上面的举例来最一道题吧：
答案： 8 16 32

#include<stdio.h>
struct S
{
	char a;
	char b;
	int c;
};
struct S1
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
struct S2
{
	char c1;
	struct S1 s;
	double m;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}
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解析：
S我们就不用解释了，那我们来解释S1吧，double d从0开始偏移，八个字节，c成员自身大小和默认对齐数较小值是成员自身大小也就是1，也就是c只要对其到1的倍数就可以了,显然当d占八个字节后c占的偏移量是8，i成员自身大小和默认对齐数较小值是成员自身大小也就是4，也就是i只要对齐到4的倍数就可以了，显然9不是4的倍数10 11 都不是所以浪费了这几个空间，然后从12开始偏移4个字节到15；最后0~15共16个字节当成员全部存放进去后，结构体的总大小必须是，所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍，显然16是8的倍数，所以答案是16
最后我们来解释S2，c1从0处偏移，这里就需要用到我们第四条规则了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(S1中的最大对齐数显然是8也就是double d)的整数倍处，S2这里面嵌套了S1，而S1结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍显然是8(我们上面刚分析了)，所以从8处偏移中间1 ~ 7显然就浪费了，偏移16个字节，到23处，接下来就轮到了m,显然接下来的24是double类型的8的倍数所以从24开始偏移8个字节，到31；最后0~31共32个字节，最后结构体的整体大小就是所有最大对齐数----8（(含嵌套结构体的对齐数—8)的整数倍。所以最后是的32是8的倍数显然结果是32

为什么存在内存对齐呢？
大部分的参考资料都是如是说的:
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。


那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到:让占用空间小的成员尽量集中在一起。

1.6.修改默认对齐数

之前我们见过了#pragma这个预处理指令，这里我们再次使用，可以改变我们的默认对齐数。

先设置默认对齐数为1计算S打印出来是6，后面取消默认对齐数，在打印S1打印出来就是12结论:结构在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。

1.7.结构体传参

//结构体传参
#include<stdio.h>
struct S
{
	int date[1000];
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4},100 };
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
	printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(const struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
	print1(s);//传结构体
	print2(&s);//传地址
	return 0;
}
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上面的print1和print2函数哪个好些?
答案是:首选print2函数。
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。
结论:结构体传参的时候，要传结构体的地址。

2.位段

2.1.什么是位段

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。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

A就是一个位段类型。
那位段A的大小为什么是8呢?

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(属于整形家族）类型
⒉.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。
既然知道了规则那我们来解释上面的那段代码吧：

首先我们知道这是int 类型的，所以按照4个字节来开辟，4个字节也就是32个比特位，a需要2个比特位，还剩30个比特位，b需要5个比特位，c需要10个比特位，还剩15个比特位，而d需要30个比特位，不够了那就在申请四个字节也就是32个比特位。
那d到底是占新申请的这32个比特位不要之前的15个比特位还是要之前的15个比特位在占用新申请32个比特位中的15个比特位呢(这里完全取决于编译器)？
总而言之我们总共是需要8个字节

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。
⒉.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32、写成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之义。
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，是舍弃剩余的位还是利用，这是不确定的。
总结:
跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且向以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

二、枚举

1.枚举类型的定义

枚举顾名思义就是一 一列举。
把可能的取值一 一列举。

枚举的可能取值,默认是从0开始递增1的

#include<stdio.h>
enum Sex
{
	//枚举常量
	MALE,//如果这里赋值5后面的递增1
	FEMALE=5,//如果这里赋值5第一个还是默认从0开始后面的递增1
	SECRET
};
int main()
{
	enum Sex s = MALE;//这里可以赋值1在VS C中是可以运行的，但是C++不可以运行因为1是int类型二者无法转换
	printf("%d\n", MALE);
	printf("%d\n", FEMALE);
	printf("%d\n", SECRET);
	return 0;
}
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2.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

3.枚举的使用

三、联合(共用体)

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，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体)。
我们来证明一下吧(证明是否共用一块空间)：

首先我们来猜测一下：c是char类型的一个字节，i是int字节占用4个字节，所以我们猜测运行结果可能是5，但是我们看到结果显然不是打印出来是4这是为什么

#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	return 0;
}
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既然如此，我们来打印一下地址来看看吧：
显然我们看到c i地址都是相同的，那这意味着它们共用一块空间

#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &(u.i));
	printf("%p\n", &(u.c));
	return 0;
}
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那联合体有什么用呢？
各位还记得我们之前所学到的判断大小端吗？
我们来回顾一下：我们假设这是小端存储，取出第一个字节我们需要强制类型转换，当取出的第一个字节是01就意味着是小端然则是大端

我们的联合体就很好的利用它们共同使用一块空间来化解了需要强制类型转换是不是很神奇呢但是这可不能乱使用，正因为它们共用一块空间所以改一个另一个也就改了(正所谓牵一发动全身)

#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u;
	u.i = 1;
	if (u.c == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}
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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(因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）。

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。

#include<stdio.h>
union Un
{
	char arr[5];
	int n;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	return 0;
}
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答案： 8
解析：
联合的大小至少是最大成员的大小所以是5吗？显然不是因为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。这里面arr[5]里面都是char类型也就是对齐数是1，n的对齐数是4所以显然这里面的最大对齐数是4所以应该是4的倍数也就是8浪费三个空间

通过上面的简单了解我们来做一道题吧：

#include<stdio.h>
union Un
{
	short arr[7];
	int n;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	return 0;
}
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答案： 16
解析：
因为short类型是两个字节，7个元素共占用14个字节但是short类型的对齐数是2，int类型是4其中最大对齐数是4所以应该是4的倍数显然14并不是应该是16

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总结

Ending,今天的自定义类型内容就到此结束啦~，如果后续想了解更多，就请关注我吧，一键三连哦 ~