C语言——结构体（位段）、联合体、枚举

hello，大家好！我是柚子，今天给大家分享的内容是C语言中的自定义类型结构体、联合体以及枚举，有什么疑问或建议可以在评论区留言，会顺评论区回访哦~

一、结构体 struct

a.结构体声明

不同于数组的是，结构体中的每个成员可以是不同类型的变量；而数组是一组相同元素的集合。（一）结构的声明

例如：

//结构体声明
struct Str
{
	char name[20];
	char sex[20];
	int num;
	int age;
};//注意分号不能丢！！！

（二）结构体变量的创建和初始化

#include
//结构体声明
struct Str
{
	char name[20];
	char sex[20];
	int num;
	int age;
};//注意分号不能丢！！！
int main()
{
	struct Str s = { "丁鸣","女",2024001,18 };	//注意成员的顺序，不要乱！
	printf("name:%s\n", s.name);
	printf("sex:%s\n", s.sex);
	printf("num:%d\n", s.num);
	printf("age:%d\n", s.age);
	return 0;
}

（三）结构体的特殊声明

 先看代码：

//匿名结构体
struct
{
	int a;
	int b;
	int c;
}s;
struct
{
	int a;
	int b;
	int c;
}a[100],*p;

 上述两种结构体在声明的时候省略了结构体标签，那如果将第一个结构体s的地址直接给p，能不能行的通呢？？

//匿名结构体
struct
{
	int a;
	int b;
	int c;
}s;
struct
{
	int a;
	int b;
	int c;
}*p;
int mian()
{
	p = &s;//是否合法？
	return 0;
}

 如果你将代码放在VS上你就会发现它会直接报错；第一，编译器会把上边两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的；第二，匿名结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能用一次。

（四）结构体的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构体本身行不行？？？

struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};

如果可以的话，那么sizeof（struct Node）的大小为多少呢？所以，这么写是错误的。

为什么？

因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，这样的话结构体变量的大小就会无穷大，是不合理的。

正确的自引用方式如下：

//正确的自引用
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;//存放节点地址
};

 我们再来看一段代码：

typedef struct 
{
	int data;
	Node* next;
}Node;

这样的代码是否可行？

当然是大错特错啦，你这个Node命名还没完成，你就提前开始使用，肯定是错的。

正确的应该这么用：

//正确的typedef
typedef struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
}Node;

b.结构体内存对齐

（一）对齐原则:
1.结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为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变量大小的较小值。

-Vs中默认的值为8 
-Linux中gcc没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小

3.结构体总大小为最大对齐数(结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的)的整数倍。

4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。

（二）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； 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（为了访问效率更高）。

假设一个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对齐成8倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。

总体来说:结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

所以，为了让我们既满足对齐，又满足节省空间，我们要尽可能的让占用空间小的成员集中在一起。         

（三） 修改默认对齐数

 #pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。

//#pragma
#pragma pack(1)	//设置默认对齐数1、4、8....
struct s
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()	//取消默认对齐数
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

（四）结构体传参

//结构体传参
struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
//①
void print1(struct S t)
{
	printf("%d %d\n", t.data[3], t.num);
}
//②
void print2(const struct S* pt)
{
	printf("%d %d\n", pt->data[3], pt->num);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5,6},10};
	print1(s);
	print2(&s);
	return 0;
}

一般我们选择第二种方法print2传参，不管是在空间上还是在性能上都是比较好的选择！！但是为了安全起见还是会加上const。

原因：函数传参的时候，参数时需要压栈的，会有时间和空间上的系统开销。

           如果传递一个过大的结构体变量，参数压栈的系统开销较大导致性能下降。

结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。

（五）结构体实现位段

什么是位段？（位表示：二进制位）

位段是基于结构体的；

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，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。

2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

//位段
struct A
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;	//一共47个比特位，两个int型
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(A));	//8
	return 0;
}

位段的出现其实就是为了节省空间的。

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等类型

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，位段是不可跨平台的，注重可移植性的程序应该避免使用位段。

c.结构体变量的定义和初始化

二、结构成员访问操作符

结构体成员依据结构体变量类型的不同，一般有2种访问方式，一种为直接访问，一种为间接访问，相同的成员名称依靠不同的变量前缀区分。

a.结构体成员的直接访问

直接访问应用于普通的结构体变量，直接访问使用结构体变量名.成员名。

b.结构体成员的间接访问

间接访问应用于指向结构体变量的指针，间接访问使用(*结构体指针名).成员名或者使用结构体指针名->成员名。

三、联合体（共用体）union

a.联合体类型的声明

//联合体
union u
{
	char c;
	int u;
};
int main()
{
	union u uu;
	printf("%zd\n", sizeof(uu));
	printf("%zd\n", &uu);
	printf("%zd\n", &(uu.c));
	printf("%zd\n", &(uu.u));
 
	return 0;
}

联合体的成员共用一块空间 ，两个成员不同时使用。

b.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。

c.联合体大小的计算

联合提的大小至少是最大成员的大小。（X）

当最大成员的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的整数倍。（√）

//计算
union U
{
	char c[5];	//5
    //按数组中的元素来算：1 8 1
	int a;	//4
    //4 8 4
};
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(union U)); //8
	return 0;
}

联合体也是存在对齐的。 

d.相同成员的结构体和联合体的对比

e.联合体的应用：

使用联合体是可以节省空间的，比如，我们要搞一个活动，要上线一个礼品兑换单，礼品兑换单中有三种商品 : 图书、杯子、衬衫。

每一种商品都有:库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息。

图书:书名、作者、页数
杯子:设计
衬衫:设计、可选颜色、可选尺寸

struct gift_1ist
{
	//库存量、价格、商品类型
	int stock_num;
	double price;
	int item_type;
	union {
		//图书:书名、作者、页数
		struct
		{
			char title[20];
			char author[20];
			int num_pages;
		}book;
		//杯子:设计
		struct
		{
			char design[30];
		}mug;
		//衬衫:设计、可选颜色、可选尺寸
		struct
		{
			char design[30];
			int color;
			int sizes;
		}shirt;
	}item;
};

举例二： 

union U
{
	int n;//4
	struct S
	{
		char c1;
		char c2;
		char c3;
		char c4;
	}s;//4
};
int main()
{
	union U u = { 0 };
	u.n = 0x11223344;
	//拿出每个字节里的内容，巧妙利用联合体成员占用同一个空间
	printf("%x %x %x %x\n", u.s.c1, u.s.c2, u.s.c3, u.s.c4);
	return 0;
}

四、枚举 enum

a.枚举类型的声明

枚举就是可以一一例举，把可能的取值一一列举。

//枚举 enum
enum Sex
{
	//性别
	MALE,
	FEMALE,
	SECRET
};
int main()
{
	printf("%d\n", MALE);
	printf("%d\n", FEMALE);
	printf("%d\n", SECRET);
	return 0;
}

b.枚举类型的优点

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，预处理阶段会删除#define定义的符号

4.使用方便，一次可以定义多个常量

5.枚举常量是遵循作用域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使用。

今天的分享就先到这里，我们下期不见不散！！！拜拜~