C語言自定義類型詳解（結構體、枚舉、聯合體和位段）

前言

一、結構體

1、結構體類型的聲明

當我們想要描述一個復雜變量——學生，可以這樣聲明。

✒️代碼展示：

struct Stu
{
    char name[20];//名字
    int age;//年齡
    char sex[5];//性別
    char id[20];//學號
}s1；//分號不能丟
int main()
{
    struct Stu s2; 
    return 0；
}

🔖解釋說明：

• struct是結構體的關鍵字
• Stu是結構體標簽名
• struct Stu是結構體的類型
• 大括號內包圍的是結構體成員變量的列表
• 變量s1是類型為struct Stu的全局變量，變量s2是該類型的局部變量

在聲明結構時，也有特殊的聲明，比如不完全聲明——匿名結構體類型，省略掉瞭結構體標簽。

✒️代碼展示：

struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}x;
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}a[20], *p;

那麼，此時，問題來瞭！

在上面的代碼基礎上，p = &x,這樣的代碼合理嗎？

而且，像這樣的匿名結構體類型隻能使用一次，因為沒有標簽名。

2、結構體的自引用

眾所周知，函數可以自己調用自己，叫做函數的遞歸，那麼結構體是否也有自己引用自己呢？如果有又是如何實現的呢？

✒️代碼展示：

//代碼一：
struct N
{
    int data;
    struct N next;
};
//代碼二：
struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};
//代碼三：
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//代碼四：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

🔖解釋說明：

代碼一：

這樣自引用是不正確的。當想要計算struct N類型所占空間大小時，就會出現瘋狂套娃現象，無法計算結果，因此是不可取的

代碼二：

這才是自引用的正確打開方式。data中存放的數據，next中存放著下一個struct Node類型數據的地址

代碼三：

該代碼想要實現匿名結構體的自引用，但這樣做是不可取的。因為需要完整的定義瞭該結構體才可以重新命名為Node。然而定義的成員列表中又有Node*，先後問題產生瞭。

代碼四：

可以通過這種重定義方式實現自引用。

3、結構體變量的定義和初始化

既然已經有瞭結構體類型，那麼對其定義和初始化就變得非常的簡單

✒️代碼展示：

struct Point
{
    int x;
    int y;
}p1; //聲明類型的同時定義變量p1
struct Point p2; //定義結構體變量p2
//初始化：定義變量的同時賦初值。
struct Point p3 = {x, y};
struct Stu     //類型聲明
{
    char name[15];//名字
    int age;    //年齡
};
struct Stu s = {"zhangsan", 20};//初始化
struct Node
{
    int data;
    struct Point p;
    struct Node* next;
}n1 = {10, {4,5}, NULL}; //結構體嵌套初始化
struct Node n2 = {20, {5, 6}, NULL};//結構體嵌套初始化

4、結構體內存對齊

掌握瞭結構體的基本使用，還應當重點瞭解結構體內存對齊問題從而計算結構體的大小，這是一個關於結構體的重點考點

結構體的對齊規則：

1. 第一個成員在與結構體變量偏移量為0的地址處。
2. 其他成員變量需要對齊到對齊數的整數倍的地址處。
   對齊數 = 編譯器默認的一個對齊數與該成員大小的較小值。
   VS中默認的值為8，Linux沒有默認對齊數
3. 結構體總大小為最大對齊數的整數倍。
4. 當嵌套結構體時，嵌套的結構體對齊需要到自己的最大對齊數的整數倍處，結構體的整體大小就是所有最大對齊數的整數倍（包含嵌套結構體的對齊數）。

✒️代碼展示：

//練習1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//練習2
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//練習3
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//練習4-結構體嵌套問題
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

👁效果展示：

🔖解釋說明：

結構體類型struct S1和struct S2兩者的成員組成是一樣的，但是定義順序有所差別，後者與前者相比將占用空間小的變量集中在瞭一起，導致兩者在遵循結構體對齊條件下，所占內存大小不一樣。做個對比吧！

結構體類型struct S3和struct S4是另外兩個典型例子，後者嵌套前者。

簡而言之，該做法就是為瞭拿空間換取時間

如果。。。

另外。。。

結構在對齊方式不合適的時候，我麼可以自己更改默認對齊數。

這裡我們將使用預處理指令#pragma來改變默認對齊數

✒️代碼展示：

#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//設置默認對齊數為8
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消設置的默認對齊數，還原為默認
#pragma pack(1)//設置默認對齊數為1
struct S2
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
#pragma pack()//取消設置的默認對齊數，還原為默認
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0; 
}

👁效果展示：

🔖解釋說明：

5、結構體傳參

✒️代碼展示：

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//結構體傳參
void print1(struct S s)
{
    printf("%d\n", s.num);
}
//結構體地址傳參
void print2(struct S* ps)
{
    printf("%d\n", ps->data[2]);
}
int main()
{
    print1(s);  //傳結構體
    print2(&s); //傳地址
    return 0;
}

👁效果展示：

🔖解釋說明：

函數傳參的時候，參數是需要壓棧，會有時間和空間上的系統開銷。
如果傳遞一個結構體對象的時候，結構體過大，參數壓棧的的系統開銷比較大，導致性能的下降。比如在這裡，如果直接傳值s的話，由於結構體中創建瞭一個很大的數組data，導致結構體過大，傳參時浪費的內存空間很大，效率低下。但是如果傳址&s的話，作為一個指針，占四個字節，極大提高瞭運行效率。

簡而言之，結構體傳參時，傳結構體的地址更好

二、位段

1、位段的定義 

位段，C語言允許在一個結構體中以位為單位來指定其成員所占內存長度，這種以位為單位的成員稱為“位段”或稱“位域” 。利用位段能夠用較少的位數存儲數據。

位段的聲明和結構是類似的，有兩個不同：

• 位段的成員必須是 int、unsigned int 、signed int、char 。
• 位段的成員名後邊有一個冒號和一個數字(指該成員占的比特位)。

✒️代碼展示：

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

2、位段的內存分配

位段的內存分配規則：

1. 位段的成員可以是 int、unsigned int、signed int或者char （屬於整形傢族）類型
2. 位段的空間上是按照需要以==4個字節（ int ）或者1個字節（ char ）==的方式來開辟的。
3. 位段涉及很多不確定因素，位段是不跨平臺的，註重可移植的程序應該避免使用位段。

✒️代碼展示：

struct S
{
    char a:3;
    char b:4;
    char c:5;
    char d:4;
}
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

🔖解釋說明：

在VS編譯器中開辟瞭空間以後，先使用低地址再使用高地址。並且剩餘的比特位不夠下一個變量存儲時，那這一片空間將會被浪費。

簡而言之，跟結構相比，位段可以達到同樣的效果，但是可以很好的節省空間，但是有跨平臺的問題存在。

3、位段的應用

🔖解釋說明：

上圖是網絡上IP數據包的格式，當你想要在網絡上發一條消息給你的好友，信息是需要進行分裝的，消息作為數據隻是傳輸的一部分，還有一部分傳輸的是分裝中的其他信息。比如4位版本號，4位首部長度，這些信息隻需要4個bit，如若不使用位段，直接每個部分一個整形的給空間，就會造成空間的大量浪費。

三、枚舉

1、枚舉類型的定義

在數學和計算機科學理論中，一個集的枚舉是列出某些有窮序列集的所有成員的程序，或者是一種特定類型對象的計數。這兩種類型經常（但不總是）重疊。枚舉在日常生活中很常見，例如表示星期的SUNDAY、MONDAY、TUESDAY、WEDNESDAY、THURSDAY、FRIDAY、SATURDAY就是一個枚舉。

2、枚舉的優點

枚舉的優點：

1. 代碼的可讀性變高和可維護性變強
2. 和#define定義的標識符相比較枚舉更加嚴謹，因為有類型檢查。
3. 防止命名污染的現象
4. 方便調試，且使用方便，可以一下子定義很多常量

3、枚舉的使用

枚舉的說明與結構和聯合相似, 其形式為：

enum 枚舉名
{
    標識符[=整型常數]，
    標識符[=整型常數]，
    ...
    標識符[=整型常數]
} 枚舉變量；

如果枚舉沒有初始化，即省掉”=整型常數”時， 則從第一個標識符開始，順次賦給標識符0, 1, 2, …但當枚舉中的某個成員賦值後，其後的成員按依次加1的規則確定其值。

✒️代碼展示：

//代碼1
enum Num1
{
    x1,
    x2,
    x3,
    x4
}x;
//代碼2
enum Num2
{
    y1,
    y2 = 0,
    y3 = 50,
    y4
};
int main()
{
    printf("%d %d %d %d\n", x1, x2, x3, x4);
    printf("%d %d %d %d\n", y1, y2, y3, y4);
    return 0;
}

👁效果展示：

註意：

1. 枚舉中每個成員(標識符)結束符是==”,”== 不是”;”, 最後一個成員可省略”,”。
2. 初始化時可以賦負數, 以後的標識符仍依次加1。
3. 枚舉變量隻能取枚舉說明結構中的某個標識符常量。
4. 枚舉值是常量，不是變量，不能在程序中用賦值語句再對它賦值(比如上面的代碼出現y3 = 3; ❎)。
5. 隻能把枚舉值賦予枚舉變量，不能把元素的數值直接賦予枚舉變量，除非進行瞭強制類型轉換(比如上面的代碼出現x = x2✔️ x = 1❎x = (enum Num1)1✔️)

四、聯合體（共用體）

1、聯合體的定義

需要使幾種不同類型的變量存放到同一段內存單元中。也就是使用覆蓋技術，幾個變量互相覆蓋。這種幾個不同的變量共同占用一段內存的結構，在C語言中，被稱作“共用體”類型結構，簡稱共用體，也叫聯合體。

2、聯合體的特點

聯合的成員是共用同一塊內存空間的，一個聯合變量的大小，至少是最大成員的大小（因為聯合至少得有能力保存最大的那個成員）

✒️代碼展示：

//聯合類型的聲明
union Un
{
    char c;
    int i;
};
//聯合變量的定義
union Un un;
int main()
{
    //例①
    printf("%p\n", &(un.i));
    printf("%p\n", &(un.c));
    //例②
    un.i = 0x11223344;
    un.c = 0x55;
    printf("%x\n", un.i);
    return 0;
}

👁效果展示：

🔖解釋說明：

通過例①的結果，我們可以直觀發現成員變量c和成員變量i共用地址

例②更加證實這一點，由於大小端存儲，變量i是以44 33 22 11這樣的順序存儲的，因為變量c與其公用地址，因此55將44覆蓋，在內存中變量i為55 33 22 11，打印出來為11 22 33 55

聯合體的相關應用：

在之前我們已經學會瞭判斷計算機大小端的方法，這裡可以通過共用體的特點來實現

#include <stdio.h>union Un{    char c;    int i;}num;int main(){    num.i = 1;    if(num.c == 1)    {        printf("小端存儲")    }    else    {        printf("大端存儲")    }    return 0;}

向成員變量i中存放一個1，查看成員變量c的值，由於該變量是char類型，因此隻訪問瞭第一個字節。

3、聯合體的大小計算

聯合體大小計算規則：

聯合的大小至少是最大成員的大小。當最大成員大小不是最大對齊數的整數倍的時候，就要對齊到最大對齊數的整數倍。

✒️代碼展示：

#include <stdio.h>
union Un
{
    char c;
    int i;
}num;
int main()
{
    num.i = 1;
    if(num.c == 1)
    {
        printf("小端存儲")
    }
    else
    {
        printf("大端存儲")
    }
    return 0;
}

👁效果展示：

總結

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