一.结构体

1 结构体的声明

1.1 结构的基础知识

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。

1.2 结构的声明

struct tag//结构体标签
{
	member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表
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注意：结构的声明不用初始化，它只是一个类型。比如int 是整形，float 是单精度浮点型。

例如描述一个学生：

struct Stu
{
    //学生的相关属性
    char name[20];//名字
    int age;//年龄
    char sex[5];//性别
    char id[20];//学号
}; //分号不能丢
struct Stu
{
    char name[20];
    int age;
    char sex[5];
    char id[20];
}s1,s2;//s1,s2是结构体类型的变量——全局变量

int main()
{
    struct Stu s3;//s3是局部变量
    return 0;
}
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1.3 特殊的声明（匿名结构体类型）

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

struct 
{
    char name[30];
    int age;
}s1;

int main()
{
    struct s3;//错误
    return 0;
}
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注意：匿名结构体类型只能使用一次。

//匿名结构体类型
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}x;
struct
{
    int a;
    char b;
    float c;
}a[20], *p;
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上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。

那么问题来了？在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？

p = &x;
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警告：从“ * ” 到“ * ”的类型不兼容

编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。所以是非法的。

1.4 typedef 重命名结构体指针类型

//方法1
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}* linklist;

//方法2
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};
typedef struct Node* linklist;
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2 结构的自引用

//代码1
struct Node
{
    int data;
    struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？
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在结构体中包含一个类型为该结构本身的成员这种方法是不可行的，相当于无限套娃，程序会崩溃。

正确的自引用方式：

//代码2
struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};
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结构体类型中包含一个同类型的结构体指针。

//代码3
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//这样写可行吗?
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不可行。typedef的使用必须存在匿名结构体类型，然后再对其进行重命名;而类型Node又是对存在的类型struct{int data; Node* next;}重命名产生的，类似于先有鸡还是先有蛋的问题。上面的代码再进行类型声明时Node* next中Node类型存不存在，你并不知道。造成整个结构体类型的声明是不正确的，也就无法进行类型重命名。

//解决方案
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;
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3 结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单。

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
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {1, 2};

struct score
{
    int n;
    char ch;
};
struct Stu //类型声明
{
	char name[15];//名字
	int age; //年龄
    struct score s;//分数
};
struct Stu s1 = {"zhangsan", 20, {100, 'A'}};//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
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4 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。要想清楚结构体类型的的大小，就需要掌握结构体的内存对齐这一知识点。

这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

4.1 宏offsetof

这里首先要清楚偏移量的概念：

结构体成员的偏移量是相对于结构体起始位置(首地址)的偏移量！

利用宏offsetof可以求出偏移量

offsetof(type,member)
1

参数：

type——结构或者联合类型

member——类型中的成员

返回值：

返回成员相对于类型首地址的偏移量，一个size_t类型的值。

使用实例：

#include
#include
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
int main()
{
    printf("%d\n",offsetof(struct s1, c1));
    printf("%d\n",offsetof(struct s1, i));
    printf("%d\n",offsetof(struct s1, c2));
    return 0;
}
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4.2 结构体内存对齐规则

考点 如何计算？ 首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2. 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中默认的对齐数的值为8,linux系统没有默认对齐数

3. 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。

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。

我们结合题目理解结构体的内存对齐

练习1：

struct S1
{
	char c1;
    int i;
    char c2;
};
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
int main()
{
	struct S1 s1;
    struct S2 s2;
    printf("%d\n", sizeof(s1));
    printf("%d\n", sizeof(s2));
    return 0;
}
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具体分析：

练习2：

#include
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
    //struct S3 s3;
	return 0;
}
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具体分析：

练习3：结构体嵌套问题

#include
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));
	return 0;
}
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具体分析：

为什么存在内存对齐?

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。

//例如：
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
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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。

4.3 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。

#include 
//#pragmea once 头文件中使用，功能是：防止头文件被多次引用
#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

int main()
{
	//输出的结果是什么？
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0;
}
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结果：

**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。

5 结构体传参

直接上代码：

struct S
{
    int data[1000];
    int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        printf("%d ",s.data[i]);
    }
    printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(const struct S* ps)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        printf("%d ",ps->data[i]);
    }
	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。

如果传递一个地址，地址无非就是4/8个字节，空间较小，效率较高。

传结构体无法改变s的数据，但是传地址，ps可以修改s的数据，这种方式不够安全，我们可以用const修饰。

结论： 结构体传参的时候，要传结构体的地址。

6 位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力。

6.1 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。

比如：

struct A
{
int _a:2;//分配2个bit位
int _b:5;//分配5个bit位
int _c:10;//分配10个bit位
int _d:30;//分配30个bit位
};
//A就是一个位段类型。
//那位段A的大小是多少？
int mian()
{
    printf("%d\n",sizeof(struct A));
    return 0;
}
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结果：

位段A的类型是int类型，在开辟内存空间时是以4个字节的大小来开辟的，先给A类型开辟4个字节的空间，_ a、_ b、_c 一共占据了17个bit位，我们把他们分配到刚刚开辟的4个字节的空间内。还剩下15个字节的空间，而 _ d占据30个bit位，不能存下。我们再开辟4个字节的空间，所以位段A的大小为8字节。

注意：_d有没有使用给A第一次分配的4字节剩下的15个bit位，这个是不能确定的！

6.2 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

//一个例子
#include
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	printf("%d\n", 
    sizeof(struct S));

	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	return 0;
}
//空间是如何开辟的？
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通过调试，我们可以发现在VS2022(X86)的环境下，位段的内存分配如下：

6.3 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

2. 位段中最大位的数目不能确定（16位机器(int 占据2个字节)最大16，32位机器(int 占据4个字节)最大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定义

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，但是可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。

6.4 位段的应用

这部分内容涉及网络协议，网络编程的知识，这里不讲解。

二.枚举

枚举顾名思义就是一一列举。

把可能的取值一一列举。

比如我们现实生活中：

• 一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举。

• 性别有：男、女、保密，也可以一一列举。

• 月份有12个月，也可以一一列举

这里就可以使用枚举了。

1 枚举类型的定义

#include
enum Day//星期
{
    //枚举常量
	Mon,//0
	Tues,//1
	Wed,//2
	Thur,//3
	Fri,//4
	Sat,//5
	Sun//6
};
enum Sex//性别
{
	MALE,//0
	FEMALE,//1
	SECRET//2
};
enum Color//颜色
{
	RED,//0
	GREEN,//1
	BLUE//2
};
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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，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
};
enum Day//星期
{
	//枚举常量
	Mon=1,
	Tues,//2
	Wed,//3
	Thur,//4
	Fri,//5
	Sat,//6
	Sun//7
};

int main()
{
    enum Day d = Fri;//枚举类型赋值
	printf("%d\n", Mon);
	printf("%d\n", Tues);//2
	printf("%d\n", Wed);//3
	printf("%d\n", Thur);//4
	printf("%d\n", Fri);//5
	printf("%d\n", Sat);//6
	printf("%d\n", Sun);//7
	return 0;
}
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2 枚举的优点

为什么使用枚举？

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. 防止了命名污染（封装）

4. 便于调试

5. 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; //这样赋值是错误的
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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，特征是这些成员共用同一块空间（所以联合也叫共用体）。比如：

#include
union Un
{
	int a;
	char c;
};

struct St
{
	int a;
	char c;
};

int main()
{
	union Un u;
	printf("%d\n", sizeof(u));//?
	printf("%p\n", &u);
	printf("%p\n", &u.a);
	printf("%p\n", &u.c);
	return 0;
}
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分析：

2 联合的特点

1. 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）

2. 联合的成员在使用时不会同时使用所有成员，一个才操作只会使用一个成员，避免成员之间相互影响。

union Un
{
    int i;
    char c;
};
union Un un;
// 下面输出的结果是一样的吗？
int main()
{
    //结果一样
    printf("%d\n", &(un.i));
	printf("%d\n", &(un.c));
    //下面输出的结果是什么？
    un.i = 0x11223344;
    un.c = 0x55;
    //改变c的同时，i也会改变
    printf("%x\n", un.i)
    return 0;   
}
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面试题：

• 判断当前计算机的大小端存储

#include
int check_sys1()
{
    int a = 1;
    return *(char*)&a;
}
int check_sys2()
{
    union
    {
        char c;
        int i;
    }u;
    u.i = 1;
    //返回1是小端，返回0是大端
    return u.c;
}
int main()
{
    //int a = 1;//0x 00 00 00 01
    //低————>高
    //01 00 00 00 --小端
    //00 00 00 01 --大端
    int ret = check_sys2();
    if(ret)
    	printf("小端\n");
    else
        printf("大端\n");
    return 0;
}
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3 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

比如：

#include
union Un1
{
	char c[5];
    //char c1;
    //char c2;
    //char c3;
    //char c4;
    //char c5;
	int i;
};
union Un2
{
	short c[7];
	int i;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un1));
	printf("%d\n", sizeof(union Un2));	
	return 0;
}
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运行结果：

分析：

Un1中 char c[5] 的大小为5，对齐数为1；i 的大小为4，对齐数为4；c[5]和i共用同一块空间，5不是4的倍数，所以联合的大小应该为4的倍数，且大于等于i的大小，最小为8；

Un2中 short c[7] 的大小为14，对齐数为2；i 的大小为4，对齐数为4；c[7]和i共用同一块空间，14不是4的倍数，所以联合的大小应该为4的倍数，最小为16。