结构体、枚举类型和联合体
文章目录
- 一:结构体的基本使用
- 1.什么是结构体
- 2.结构体的声明
- (1):一般声明
- (2):特殊声明
- 3.结构体的自引用
- 4.结构体变量的定义和初始化
- 二:结构体的内存对齐
- 1.内存对齐规则
- 2.练习
- 3.为什么要在内存下对齐
- 4.默认修改对齐数
- 5.结构体传参
- 三:位段
- 1.什么是位段
- 2.位段的内存分配
- 3.位段的跨平台问题
- 四:枚举
- 1.枚举的定义
- 2.枚举的优点
- 3.枚举的使用
- 五:联合(共同体)
- 1.联合类型的定义
- 2.联合体大小的计算
一:结构体的基本使用
1.什么是结构体
结构体是C语言中重要的知识点,结构体使C语言有能力描述复杂的类型。
比如描述一个学生,一个学生包含: 名字+年龄+性别+学号。
我们用基本的数据类型没有办法描述这样的复杂对象,这里就只能使用结构体来描述了。
2.结构体的声明
(1):一般声明
struct Stu//struct表示创建结构体,Stu表示结构体标签,数据的类型为struct Stu
{
char name[20];//名字
int age; //年龄
char sex[10]; //性别
char id[15]; //学号
}s;//这个s就是一个结构体变量
//当这个结构体定义在main函数内时,s是局部变量;在main函数外,是一个全局变量
//类型没有空间,类型创建的变量才有空间
(2):特殊声明
在声明结构的时候,可以不完全的声明
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;//a[20]是一个有二十个结构体的数组,p是指向这样一个结构体的指针变量
p = &x;//在上面的结构体虽然没有标签,但是这依旧是两个不同的结构体
3.结构体的自引用
首先我们引入链表的概念,就像寻宝游戏中的线索一样,你有了一条线索,然后沿着这条线索寻找,你会找到下一条线索,沿着找到的条线索寻找,你又会找到下一条线索,这样层层递进最后就能找到宝物,所有的线索也都被串联起来了。
你如果在上一层的数据中存放下一层的信息,那么这一层层的信息就可以不断向下寻找,我们的数据就也被串联起来了,这就是一种链表的简单概括。
类似于链表
的思想,结构体可以引用自己。
链表里的节点
存放数据和地址
,把存放数据的叫做数据域,把存放地址的叫做地址(指针)域
struct Node
{
int data;
struct Node n;
};
//但是这样是不可以的,这个程序会不断地向内部寻找struct Node n,sizeof无法计算
//修改
struct Node
{
int data;
struct Node* n;
};
//用指针则是正确的,指针变量的大小是固定的
//typedef struct
//{
// int data;
// Node* next;
//}Node;
//错误,因为类型重定义没有读全就使用了
//修改:
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
//正确
int main()
{
Node n;
return 0;
}
4.结构体变量的定义和初始化
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
struct Point p3 = { x, y };
//初始化:定义变量的同时赋初值。
struct Stu
{
char name[15];//性别
int age;//年龄
};
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
二:结构体的内存对齐
1.内存对齐规则
对于任何一种类型的数据我们都关系它的大小,结构体也不例外。
- 但与不同的数据类型不同,结构体存在自己的内存占用方式,也就是内存对齐。
- 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的偏移(地址)处。
- 从第二个成员开始,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。
对齐数
= 编译器默认的一个对齐数与该结构体成员大小的较小值
。VS中默认的值为8,liunx不设置对齐数(对齐数是结构体成员自身大小)。 - 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。
- 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。
2.练习
#include<stdio.h>
struct A
{
int a;// 4/8->min:4 0 1 2 3
short b;// 2/8->min:2 4 5
int c;// 4/8->min:4 8 9 10 11
char d;// 1/8->min:1 12
};
struct B
{
int a;// 4/8->min:4 0 1 2 3
short b;// 2/8->min:2 4 5
char c;// 1/8->min:1 6
int d;// 4/8->min:4 8 9 10 11
};
int main()
{
printf("%d %d", sizeof(struct A), sizeof(struct B));
return 0;
}
这个程序的运行结果为:16 12,由此证明结构体的储存不是数据的简单堆叠。
接下来,我们进行分析:
首先我们分析struct A:
(1)第一个元素储存在偏移量为0的地址处,int类型的变量占4字节,它就会占据偏移量为0、1、2、3这四个字节。
(2)第二个元素的储存就需要考虑默认对齐数,VS默认对齐数为8,short类型的变量占2字节,对齐数为2,2和8相比2更小,这个short类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为4(2×2)的位置开始储存,占据偏移量为4、5这两个字节。
(3)第三个元素的储存,VS默认对齐数为8,int类型的变量占4字节,对齐数为4,4和8相比4更小,这个int类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为8(4×2)的位置开始储存,占据偏移量为8、9、10、11这四个字节。
(4)第四个元素的储存,VS默认对齐数为8,char类型的变量占1字节,对齐数为1,1和8相比1更小,这个char类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为12(1×12)的位置开始储存,占据偏移量为12这一个字节。
(5)所有的元素储存完毕,整个结构体的大小是所有变量对齐数的最大值的整数倍(除去系统默认对齐数)。在这里变量的默认对齐数有int ->4,
short ->2 ,int ->4 ,char ->1,其中最大值为4,整个结构体数据储存共占据13个字节,只有16(4×4)可以涵盖所有的用于储存变量的13个字节,最后结构体大小为16个字节。
接着我们分析struct B:
(1)第一个元素储存在偏移量为0的地址处,
int类型的变量占4字节,它就会占据偏移量为0、1、2、3这四个字节。
(2)第二个元素的储存就需要考虑默认对齐数,VS默认对齐数为8,short类型的变量占2字节,对齐数为2,2和8相比2更小
,这个short类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为4(2×2)的位置开始储存,占据偏移量为4、5这两个字节。
(3)第三个元素的储存,VS默认对齐数为8,char类型的变量占1字节,对齐数为1,1和8相比1更小
,这个char类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为6(1×6)的位置开始储存,占据偏移量为6这一个字节。
(4)第四个元素的储存,VS默认对齐数为8,int类型的变量占4字节,对齐数为4,4和8相比4更小
,这个int类型的变量就会从偏移量为默认对齐数的整数倍也就是偏移量为8(4×2)的位置开始储存,占据偏移量为8、9、10、11这四个字节。
(5)所有的元素储存完毕,整个结构体的大小是所有变量对齐数的最大值的整数倍(除去系统默认对齐数)
。在这里变量的默认对齐数有int ->4, short ->2 ,int ->4 ,char ->1,其中最大值为4,整个结构体数据储存共占据12个字节,只有12(4×3)可以涵盖所有的用于储存变量的13个字节,最后结构体大小为12个字节。
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S3
{
double d;//对齐数是8,因此占据了0~7的空间
char c;//对齐数是1,8是1的倍数(1*8),因此从8开始,占据了1个字节的空间
int i;//对齐数是4,9不是4的倍数,
//因此中间浪费了3个空间,补到12(其实下标是11)个字节,占据11~15的空间
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S4));//32
printf("%d\n", sizeof(struct S3));//16
printf("%d\n", offsetof(struct S4, c1));//0
printf("%d\n", offsetof(struct S4, s3));//8
printf("%d\n", offsetof(struct S4, d));//24
return 0;
}
3.为什么要在内存下对齐
有以下几个原因:
- 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。 - 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。
#include<stdio.h>
#include <stddef.h>
//offsetof宏是用来计算结构体成员相对于起始位置的偏移量
struct S1
{
char c1;//1和8的较小值是1
int i;//4和8的较小值是4
char c2;//1和8的较小值是1
};//12
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};//8
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));//0
printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));//4
printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));//8
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8
printf("%d\n", offsetof(struct S2, c1));//0
printf("%d\n", offsetof(struct S2, c2));//1
printf("%d\n", offsetof(struct S2, i));//4
return 0;
}
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。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。
4.默认修改对齐数
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。
#include<stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数8,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()//取消设置的对齐数1,还原为默认
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S1));//12
printf("%d\n", sizeof(struct S2));//6
return 0;
}
结论:
- 结构体在对齐方式不合适的时候,可以自己更改默认对齐数。
5.结构体传参
#include<stdio.h>
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
printf("%d %d %d %d\n", s.data[0], s.data[1], s.data[2], s.num);//1 2 3 100
}
//结构体地址传参
void print2(const struct S* ps)//const限制ps去修改所指向内容,使其不会让ps修改ss
{
//printf("%d %d %d %d\n", (*ps).data[0], (*ps).data[1], (*ps).data[2], (*ps).num);
printf("%d %d %d %d\n", ps->data[0], ps->data[1], ps->data[2], ps->num);//1 2 3 100
}
int main()
{
struct S ss = { {1,2,3,4,5}, 100 };
print1(ss);//传结构体
print2(&ss);//传地址
return 0;
}
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,空间浪费会比较严重,所以会导致性能的下降。
而传地址的话,一个地址取出来是4/8个字节,因此传参时拿一个指针变量来接收也是4/8个字节,这样参数压栈的系统开销就非常小,效率会大大增加。
结论:
- 结构体传参的时候,要传结构体的地址。
三:位段
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。
#include<stdio.h>
struct A
{
//位段上的空间以int 4byte方式来开辟的 4byte=32bit
int _a : 2;//_a需要2bit位,因此其占了2bit位,还剩下30个bit位
int _b : 5;//_b需要5bit位,因此其占了5bit位,还剩下25个bit位
int _c : 10;//_c需要10bit位,因此其占了10bit位,还剩下15bit位
int _d : 30;//_d需要30bit位,因此其占30bit位,但只剩下了15bit位,
//因此需要继续开辟4byte(int类型)32bit位
//所以总共开辟了8byte的空间
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct A));//8
return 0;
}
2.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。
#include<stdio.h>
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;
}
3.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,写成27,在16位机器会出问题)
- 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。
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,但是有跨平台的问题存在。由于位段节省空间的优势,它可以用于网络数据的信息传输。
四:枚举
1.枚举的定义
枚举顾名思义就是一一列举,把可能的取值一一列举。
比如:一周有七天,性别有两种,一年有十二个月等等。
enum Day
{
Mon,
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
//星期
enum Sex
{
enum Sex sex = 5;//err enum类型不能转化成int类型
MALE,
FEMALE,
SECRET
};
//性别
以上定义的 enum Day ,enum Sex ,enum Color 都是枚举类型。{}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具体值的,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。
例如:
enum Color//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};
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?
- 增加代码的可读性和可维护性
- 和#define定义的标识符比较枚举有类型检查,更加严谨。
- 防止了命名污染(封装)
- 便于调试
- 使用方便,一次可以定义多个常量
3.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。
clr = 5; //这样也是可以的
五:联合(共同体)
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)
#include<stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un;
//计算连个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));//4 最大的int是4个字节,联合体共用一块空间
return 0;
}
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)。
#include<stdio.h>
union Un
{
int i;
char c;
};
int main()
{
union Un un;
printf("%p\n", &(un.i));
printf("%p\n", &(un.c));
printf("%d\n", sizeof(union Un));
return 0;
}
//结果:005FF918
//005FF918
//4
由于内部变量共用部分空间,所以要避免同时使用内部变量,也就是上面的char c与int i不能同时使用。
//判断vs中是大端存储还是小端存储
//法1:
//#include<stdio.h>
//int main()
//{
// int num = 1;//0x 00 00 00 01
// //看首元素,所以得用到指针,而且指1个字节的话得用char*强转int类型
// char* p = (char*)#
// if (*p == 1)
// printf("小端");
// else
// printf("大端");
// return 0;
//}
//法2:
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
int num = 1;
//return *(char*)#
//联合体
union Un
{
char c;
int i;
}u;//共同4个字节空间,c算其中的1个空间
//用联合体将第一个字节直接拿出来
u.i = 1;
return u.c;
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (ret == 1)
printf("小端");
else
printf("大端");
return 0;
}
2.联合体大小的计算
- 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。
//例题1:
union Un1
{
char arr[5];//5个字节,数据类型为char,对齐数为1
int i;//4个字节,数据类型是int,因此对齐数为4
};
//根据条件1:可知最大成员数的大小至少是5
//根据条件2:5不是最大对齐数4的整数倍,因此就要对齐到8
#include<stdio.h>
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
return 0;
}
//例题2:
union Un2
{
short s[6];//12个字节,数据类型是short,对齐数为2
int i;//4个字节,对齐数为4
};
//根据条件1:可知最大成员数至少为12
//根据条件2:12是最大对齐数4的整数倍,因此就要对齐到12
#include<stdio.h>
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(union Un2));//12
return 0;
}