『C语言进阶』自定义类型详解

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前言

C语言提供了一些由系统已定义好的数据类型，如：int,float,char等，用户可以在程序中用它们定义变量，解决一般的问题，但我们要处理的问题往往比较复杂，只有系统提供的类型还不能满足应用的需求，C语言允许用户根据自己建立一些数据类型，并用它来定义变量，比如结构体，枚举，联合体这些自定义类型

接下来小羊就带铁汁们学习关于结构体，枚举以及联合体的相关内容~~

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一、结构体

1.1 结构体的基础知识

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。

声明结构体类型的一般形式：

struct 结构体名

​ {

​ //成员变量，是用来描述结构体对象的相关属性

​ 成员列表

​ };

1.2 结构体的声明

1.先声明结构体类型，再定义该类型的变量

struct stu
{			
	char name[20];		
	int stuid[20];		
	int age;
    int height;
};
 
int main()
{
    struct stu s1；
    struct stu s2；
    return 0;
} 
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2.在声明类型的同时定义：

struct stu
{			
	char name[20];		
	int stuid[20];		
	int age;
    int height;
}s1,s2;
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这种定义结构体的一般形式为:

struct 结构体名

{

​ 成员列表；

}变量名列表；

1.3 结构体的特殊声明

匿名结构体类型

#include
struct
{
	char a;
	int b;
	double c;
}d;//结构体必须在这里命名，而且只能使用一次

struct
{
	char a;
	int b;
	double c;
}* ps;

int main()
{
	ps = &d;//这里不能这样使用，这是非法的
	//编译器认为等号两边是不同的结构体类型
	return 0;
}
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仔细观察上面的这两个结构是不是除了变量名不一样，其他都完全一样

那问题来了，这两个结构体是相同的结构体吗？？？

答案当然不是，省略掉结构体标签后，编译器会认为这两个结构体是不一样的，即使这两个结构体成员是一样的，编译器也会把上面的两个结构体声明当成完全不同的类型

1.4 结构体的自引用

struct Node
{
     int Data;           
     struct Node* Next; 
};
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#include

typedef struct Node//重命名这个结构体为Node
{
    int Data;            
    struct Node* Next; 
}Node;

int main()
{
    struct Node n1 = { 0 };//写法一
    Node n2 = { 0 };//写法二
    return 0;
}
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1.5 结构体的初始化和访问

初始化：

struct Student
{
	int num;
	char name[20];
	char sex[5];
	int age;
}s1 = { 1,"李四","女",19 };


int main()
{
	struct Student s2 = { 2,"张三","男",18 };
	printf("%d %s %s %d\n", s1.num, s1.name, s1.sex, s1.age);
	printf("%d %s %s %d\n", s2.num, s2.name, s2.sex, s2.age);
	return 0;
}
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结构体嵌套初始化：

struct Point
{
    int a;
    double b;
};

struct Node
{
	int data;
	struct Point p;
	struct Node* next;
}n1 = { 10, {4,5}, NULL };
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结构体访问：

• p.成员名
• (*p).成员名
• p->成员名

1.6 结构体内存对齐

结算结构体的大小，是一个很热门的考点：结构体内存对齐

#include

struct S1
{
	char s1;
	int i;
	char s2;
};

struct S2
{
	int i;
	char s1;
	char s2;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}
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按照我们现在的所认知，char是一个字节，int是两个字节，所以这两个结构体大小不应该是1+1+4=6个字节吗？？但运行起来的结果却跟我们想的不一样，那么就让铁汁们带着疑问往下看~~

我们可以通过宏（offsetof）来观察结构体中各成员变量距起始位置的偏移量

offsetof：计算结构体成员变量相较于结构体起始位置的偏移量

#include
#include
struct S1
{
	char s1;
	int i;
	char s2;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1,s1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, s2));
	return 0;
}
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好，接下来小羊来解开小伙伴们的疑惑~

首先得掌握结构体的对齐规则：

• 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
• 其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。 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
• 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。

第一个成员是s1，所以在偏移量为0处，它的对齐数是1，占一个字节；

第二个成员是i，它的对齐数是4，所以从偏移量为4开始，占四个字节；

第一个成员是s2，它的对齐数是1，所以从偏移量为8开始，占一个字节；

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，我们让占用空间小的成员尽量集中在一起，就可以节省空间。

1.7 修改默认对齐数

#include 
#pragma pack(2)//设置默认对齐数为2
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

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    return 0;
}
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运行结果：

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在不改变对齐数的情况下，运行结果应该是12

结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己改变默认对齐数

1.8 结构体传参

#include
struct S
{
	int a;
	int b;
};
struct S s = { 1,9 };

void Print(struct S* ps)
{
	printf("%d\n", ps->b);
}

int main()
{
	Print(&s);
	return 0;
}
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函数传参的时候，参数需要压栈，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，参数压栈的系统开销过大，会导致性能的下降

所以结构体传参的时候，传结构体地址

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二、位段

2.1 什么是位段

1. 位段的成员必须是int、unsigned int或者signed int(还可以是char类型)
2. 位段的成员后边有一个冒号和一个数字

#include
struct A
{
	int a : 2;//a需要2个比特位
	int b : 5;//b需要5个比特位
	int c : 10;//c需要10个比特位
	int d : 28;//d需要28个比特位
};//这就是一个位段

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct A));
	return 0;
}
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首先因为a是int类型，所以开辟了4个字节（32个比特位）的空间，a需要2个比特位，还剩30个比特位，刚好b需要5个比特位，就给b，还剩下25个比特位，刚好c需要10个比特位，给c后还剩15个比特位，而d需要28个比特位，还剩下的15个比特位不够，d就只能再开辟一个int类型空间即四个字节，所以一共是8个字节。

这时候相信铁汁们有个这样的疑问？：

那个还剩下来的15个比特位怎么用的？

#include
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	return 0;
}
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所以在这里我们可以猜测VS2022，上一次开辟的空间剩下的不够时，是被遗弃了，并没有再次使用，直接用新开的空间。

2.2 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。

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;
}
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2.3 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，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

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三、枚举

枚举顾名思义就是列举，把可能的取值列举。（枚举是一个常量）

例如：

一周是从周一到周日，是有限的，可以一一列举

三原色，也可以一一列举

3.1 枚举类型的定义

#include
enum day//星期
{
	Mon,
	Tues,
	Wed,
	Thir,
	Fri,
	Sta,
	Sun
};

enum Sex//性别
{
	MALE,
	FEMALE = 3,
	SECRET
};

enum Color//颜色
{
	RED,
	GREEN = 89,
	BLUE = 78
};

int main()
{
	enum Day a = Sun;
	printf("%d\n", Mon);
	printf("%d\n", Tues);
	printf("%d\n", Wed);
	printf("\n%d\n", MALE);
	printf("%d\n", FEMALE);
	printf("%d\n", SECRET);
	printf("\n%d\n", RED);
	printf("%d\n", GREEN);
	printf("%d\n", BLUE);
	return 0;
}
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以上定义的enum Day，enum Sex，enum Color都是枚举类型，{}中 的内容都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，依次加1，也可以在定义时赋值初值

3.2 的使用

enum Color
{
     RED=1,
     GREEN=2,
     BLUE=4
};
 
 
enum Color clr = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值
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注意：

• 枚举是一个常量，在定义枚举的时候（无论有没有赋值），不可以对可能取值的值进行改变，例如：Mon=3；（如果想让值发生改变，只能在定义枚举的时候进行赋值改变）

3.3 枚举的优点

• 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。
• 便于调试
• 防止命名污染（封装）
• 使用方便，一次可以定义多个常量

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四、联合（共同体）

4.1 联合体的定义

联合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，特征是这些成员功用一块空间（所以联合也叫共用体）

#include

union Un
{
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));
	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &(u.c));
	printf("%p\n", &(u.i));
	return 0;
}
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起始地址是一样的，共用一块地址，所以是4个字节

4.2 联合体的特点

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）。

习题：判断当前计算机的大小端存储：

低位放在低地址的是小端，地位放在高地址的是大端

常规写法：

#include 
 
int cheak_sys()
{
	int a = 1;//00 00 00 01(16进制)
	return *((char*)&a);
}
 
int main()
{
	int ret = 0;
	ret = cheak_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}
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用联合的方法写：

#include 
 
int cheak_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}
 
int main()
{
	int ret = 0;
	ret = cheak_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}
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运行结果：

小端
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4.3 联合体大小的计算

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。

（和结构体一样）但是注意起始地址是一样的

#include 
union Un1
{
	char c[5];
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));//8
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));//16
	return 0;
}
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本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言，小羊一定认真修改，写出更好的文章~~