【C语言进阶】自定义类型详解
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文章目录
- 前言
- 一、结构体
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- 1.结构的基础知识
- 2.结构体的声明
- 3.匿名结构体
- 4.结构体的自引用
- 5.结构体变量的定义和初始化
- 6.结构体内存对齐
- 7.修改默认对齐数
- 8.offsetof宏
- 9.结构体传参
- 10.结构体实现位域（位段）
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- 10.1位域的说明
- 10.2位域的定义
- 10.3位域的内存分配
- 二、枚举
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- 1.枚举的定义
- 2.枚举的优点
- 3.枚举的使用
- 三、联合体（共用体）
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- 1.联合体简介
- 2.联合体的声明和定义
- 3.联合体的初始化
- 4.联合体大小的计算
- 5.联合体应用
前言
本章来剖析C语言自定义的数据类型：结构体、枚举、位段、联合体（共用体）。自定义数据类型就是用户可以随时在程序中自行定义新的数据类型。
一、结构体
我们知道数组允许存储相同数据类型的变量，当我们想要存储不同数据类型的变量时，我们就要用到结构，结构是C编程中一种自定义的数据类型。
前面我们已经学习过结构体入门篇，在此简略复习，若有需要，猛戳👉【C语言入门必看】结构体👈
1.结构的基础知识
结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。
2.结构体的声明
💬应用： 描述一个复杂对象，比如一个学生（有姓名，年龄，性别，学号）
struct Stu{char name[20];//姓名int age;//年龄char sex[10];//性别char id[30];//学号}s1, s2;struct Stu s3;//s1,s2,s3是结构体全局变量int main(){struct Stu s4;struct Stu s5;struct Stu s6;//s4,s5,s6是结构体局部变量return 0;}🔍分析： s1~s6都是结构体变量，以在main的外面或里面来区分全局还是局部。
3.匿名结构体
所谓匿名，可以理解为无名，即没有标签名的结构体。
📣匿名结构体的声明：
struct{char a;int b;float c;}s; //匿名结构体变量sstruct{char a;int b;float c;}*ps;//匿名结构体指针*psint main(){ps = &s;return 0;}用匿名结构体的方式创建了结构体变量s和结构体指针ps，而且仔细发现：他们的成员变量是相同的。
所以当执行ps = &s;，这是合情合理的吗？我们运行上面代码发现：
这并非合理
🔑解释： 编译器认为，虽然你俩的成员变量相同，但名字我都不晓得，为了安全起见，所以不能让你俩搁这赋值，即认为两者是不同的类型。最终发出警告：两者的类型不兼容
注意事项：匿名结构体没有tag标签名，因此无法构成结构体类型，所以匿名结构体只能用一次（你没名字，我上哪找你去？😾）
4.结构体的自引用
结构体包含一个由该结构体类型创建的结构体变量，是否可以？
struct N{char a;struct N n;};🔍分析： 假设该做法是可行的，当struct N结构体类型创建一个结构体变量a，那该如何计算结构体变量a的大小呢？因为a变量有struct N n;//结构体变量n，而结构体变量n中又有struct N n;//结构体变量n，这不就相当于山里有座庙，庙里有个老和尚…的故事吗？搁这套娃呢！
🚀运行结果：
编译器会报错
事实上，结构体N还没定义完，因为编译器并不知道结构体N需要多少空间存储。
💯正确的结构体自引用是这样的：
struct N{char a;struct N* n;};🔍 分析： 结构体N中定义了一个指针，该指针指向一个结构体N类型。
为什么可以这样做呢？在指针篇我们知道，无论是哪一种类型的指针，指针的大小是固定的（32位平台为4字节，64位平台为8字节），因此编译器在编译的时候就知道结构体指针n的大小并为其分配空间。
📚为了更加清晰地理解，在此进行拓展（数据结构的单链表知识）：
当我们想要存储 1 2 3 4 ，我们可以用数组（在数据结构中称为顺序表），另外一种方法就是单链表。
单链表十分巧妙地利用了结构体自引用，具体代码：
struct Node{int data;struct Node* next;//next指针 指向下一个节点};📌注意事项：
①匿名结构体不能自引用
typedef struct{char a;N* n;}N;🚀运行结果：
🔑解释： 定义指针n时，结构体名N还未可见，编译器会报错"N"未定义。
🔱解决方法： 加上标签名
📚拓展（可跳过）：结构体的互引用
结构体的互引用：一个结构体A中包含一个或多个与结构体B相关的成员, 且结构体B中也包含一个或多个与结构体A相关的成员。
先看一个结构体互引用的错误用法❌：
struct A{int a;struct B* b;};struct B{int b;struct A* a;};为啥错呢？有了上面的经验，我们可以分析，在定义结构体A的成员b时，由于结构体B还未可见，故编译器会会报数据类型B未定义。
💯解决方法是使用不完整声明：
struct B;//不完整声明：使结构体B可见，但先不告知B的具体定义struct A{int a;struct B* b;};struct B{int b;struct A* a;};再看互引用的另一个错误用法❌：
struct B;//不完整声明：使结构体B可见，但先不告知B的具体定义struct A{ int a; struct B b;};struct B{ int b; struct A a;};该错误和自引用中的套娃类似，结构体A和结构体B都是直接包含了对方，他俩搁这搁这搁这…永无止境
所以使用互引用要注意❕：至少有一个结构体必须在另一个结构体中以指针的形式被引用。
5.结构体变量的定义和初始化
创建局部/全局结构体变量并初始化：
struct Stu{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号}s1;//①声明类型的同时定义变量s1struct Stu s2;//定义全局变量s2struct Stu s3 = { "李四",20,"女","20200360317" };//定义全局变量s3并初始化int main(){struct Stu s4;//③定义局部变量s4struct Stu s5 = { "张三",17,"男","20200360318" };//④定义结构体变量s5的同时可初始化return 0;}结构体（嵌套有结构体）的初始化和成员访问：
struct Writer{char name[20];int age;};struct Book{char name[20];int price;char id[20];struct Writer w;//结构体内嵌结构体};int main(){struct Book b = { "法外狂徒", 1000, "007", { "张三", 69 } };//初始化//访问成员//1.使用.printf("%s %d %s %s %d\n", b.name, b.price, b.id, b.w.name, b.w.age);//2.使用->struct Book* pb = &b;//定义一个结构体类型的指针指向b的地址 printf("%s %d %s %s %d\n", pb->name, pb->price, pb->id, pb->w.name, pb->w.age);return 0;}6.结构体内存对齐
到此，我们已掌握了结构体的基本使用。现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小，这也是一个特别热门的考点：结构体内存对齐
💬举个例子：
struct S{char a;int b;};int main(){struct S s1 = { 0 };printf("%d", sizeof(s1));return 0;}有些同学眼睛都不睁开，大喊这简单，我会，答案1+4=5
🚀运行结果发现正确答案是8：
说明结构体大小并不是各成员数据类型字节之和。
📚结构体大小的计算有着自己的一套规则，那就是结构体对齐规则：
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，即min(默认对齐数，该成员大小)。
- VS中默认对齐数为8，Linux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。
我们举例子来学习：
1️⃣
2️⃣
3️⃣
4️⃣
❓ 为什么会存在内存对齐？
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：结构体的内存对齐就是拿空间换取时间的做法
❓ 在设计结构体时，如何做到既满足对齐又能节省空间呢？
💯让空间小的成员尽量集中在一起。
struct S1 //12{char c1;int i;char c2;};struct S2 //8{char c1;char c2;int i; };虽然S1和S2类型的成员一模一样，但是通过让空间小的成员尽量计中在一起，使所占空间的大小有了一些区别。
7.修改默认对齐数
#pragma 预处理指令，可以改变我们的默认对齐数。
#include #pragma pack(8)//设置默认对齐数为8struct S1{char c1;//1//0int i;//4//4~7char c2;//1//8//0~8等于9,4*2<9 //4*3=12满足};#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认#pragma pack(2)//设置默认对齐数为2struct S2{char c1;//1//0int i;//4//2~5char c2;//1//6//0~6等于7,4*2=8>7满足};#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));//12printf("%d\n", sizeof(struct S2));//8return 0;}🚀运行结果：
🔱结论： 结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。
💊要求： 另外对结构体对齐部分，我们应该熟练到不用画图，直接计算出结构体大小的程度。
8.offsetof宏
头文件：
size_t offsetof(structName, memberName);structName：结构体类型
memberName：结构体类型的成员指示器
作用：会生成一个类型为 size_t 的整型常量，它是一个结构成员相对于结构开头的字节偏移量。
#include #include struct S{ char c1; //1 //0 int i;//4 //4~7 char c2;//1 //8};int main(){ printf("%d\n", offsetof(struct S, c1));//0 printf("%d\n", offsetof(struct S, i));//4 printf("%d\n", offsetof(struct S, c2));//8 return 0; }🚀运行结果：
💭 百度笔试题： 写一个宏，计算结构体中某变量相对于首地址的偏移，并给出说明。
（注：这里还没学习宏，可以放在宏讲解完后再实现。关注我不迷路~😼）
9.结构体传参
struct S{int data[1000];int num;};struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };//结构体值传参void print1(struct S s){printf("%d\n", s.num);}//结构体址传参void print2(struct S* ps){printf("%d\n", ps->num);}int main(){print1(s);//传结构体print2(&s);//传地址return 0;}🆚上面的 print1（传结构体） 和 print2（传址） 函数哪个好些？
💯 答案： 首选print2（传址）函数。
🔑解析：
从时空角度分析：
结构体传值：若该结构体足够大，传值时会拷贝一份一样大的结构体，这时会造成空间和时间上的浪费
结构体传址：无论该结构体多大，传址时用应该结构体指针接收即可。我们知道指针大小是固定的，大小为4/8字节（32位平台为4，64位为8）。
从功能角度分析(这是相对的)：
结构体传值：若我们希望对结构体的内容做修改，则传值就有一定的局限性。
结构体传址：我们可通过结构体地址找到该结构体并对其修改；若不希望修改其内容，我们可以加上const修饰
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。
10.结构体实现位域（位段）
若程序的结构中包含多个开关量，只有TRUE/FALSE变量，如下：
struct switch{unsigned int a;unsigned int b;}status;这种结构需要 8 字节的内存空间，但在实际上，存放一个开关量时，只有 0 和1 两种状态，我们只需存储 0 或 1，用一个二进制（比特位）即可。为了节省存储空间，并使处理简便，C语言又提供了一种数据结构，称为“位域”或“位段”。
10.1位域的说明
📚所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域， 并说明每个区域的位数。每个域有一个域名，允许在程序中按域名进行操作。 这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。
10.2位域的定义
位域的定义和结构体是类似的，但有两个不同点：
① 位段的成员只能是： int、unsigned int、signed int
② 位段的成员名后面有一个冒号和一个数字：位域名：位域长度
struct A{ int _a:2; int _b:5; int _c:10; int _d:30;}data;// A就是一个位段类型int main(){ printf("%d\n", sizeof(data)); return 0;}📣说明： 位域_a占2位，位域_b占5位，位域_c占10位，位域_d占30位，总共47个比特位。
🚀当我们运行后发现结果是8：
结构体变量data的四个成员占47位，而data的大小是8个字节（64个比特位），为什么会这样呢？这就得深入探究位域的内存分配了。
10.3位域的内存分配
📌 注意事项：
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。
❓ 空间是如何开辟的？
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;}🔑解释说明：
在VS编译器中开辟了空间以后，先使用低地址再使用高地址。并且剩余的比特位不够下一个变量存储时，那这一片空间将会被浪费。
📚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。比如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。
⚡位域的应用：
🔑解释说明：
上图是网络上IP数据包的格式，当你想要在网络上发一条消息给你的好友，信息是需要进行分装的，消息作为数据只是传输的一部分，还有一部分传输的是分装中的其他信息。比如4位版本号，4位首部长度，这些信息只需要4个bit，如若不使用位段，直接每个部分一个整形的给空间，就会造成空间的大量浪费。
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。
比如性别有男、女和保密，可以一一列举；葫芦娃有7个，可以一一列举。
1.枚举的定义
枚举的定义：
💬举例：
enum Day //星期{Mon,Tues,Wed,Thur,Fri,Sat,Sun//横着放也可以};enum Day是枚举类型，{ }里的内容是枚举类型的可能取值，即枚举常量。
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{ // 枚举常量 RED = 1, // 赋初值 GREEN = 2, BLUE = 4};2.枚举的优点
❓ 我们可以用 #define 定义常量，为什么非要使用枚举？
📚 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。
- 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
#include <stdio.h>enum Color //颜色{ RED = 1, GREEN = 2, BLUE = 4};int main(){ enum Color c = GREEN; c = 5; printf("%d\n", c);//5 return 0;}📌注意事项：
①默认从0开始，依次递增1（若对一个枚举常量赋初值，其后的枚举常量默认依次+1（当不对其赋值））
②枚举常量不能改变（在类型创建时的{}内可改变，出了{}不能改变），但由枚举类型创建出来的变量是可以改变的（细品）
enum Color //颜色{ //① RED,//0 GREEN = 2, BLUE//3};int main(){ //② enum Color c = RED; c = 2;//2是整型，整型赋值给枚举类型（类型不匹配），在.c文件下不会报错，在.cpp文件下则会报错 c = BLUE;//✅枚举类型创建的变量可以改变 //BLUE = 4;❌ //枚举常量不能改变}🆚对比下图左右两份代码，哪一份更好？
左边： 如果不查看menu，根本不知道case后的01234代表什么
右边： 使用了枚举，提高了代码的可读性，当看到EXIT就知道是退出程序…
三、联合体（共用体）
1.联合体简介
📚联合体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（所以联合体也叫共用体）。
2.联合体的声明和定义
💬具体代码：
#include <stdio.h>union Un{ char c;//1 int i;//4};int main(){ union Un u;//创建一个联合体变量 printf("%d\n", sizeof(u));//4 return 0;}🚀运行结果是4：
❓ 为什么是4个字节呢？我们来深入探究下：
#include union Un{ char c;//1 int i;//4};int main(){ union Un u; printf("%p\n", &u); printf("%p\n", &(u.c)); printf("%p\n", &(u.i)); return 0;}🚀运行结果：
🔑解析：
🔱结论： 联合体的成员是共用同一块内存空间的。因为联合至少要有保存最大成员的能力，所以一个联合变量的大小至少是最大成员的大小。
3.联合体的初始化
💬代码演示：
#include union Un{ char c;//1 int i;//4};int main(){ union Un u = {10}; return 0;}🩺调试中的监视：
发现c和i的值都是10，说明c和i是公用同一块内存空间的。
所以我们可以猜想：当给联合体变量 u 中的 i 赋予一个值，再给 c 赋予一个值，i 会发生改变。我们可以验证：
i 的值果然被改变了。因为给 i 赋值为1000，会在公用的4字节空间，存入1000的二进制数；当再给 c 赋值为100，会将 c 那1字节的空间，存入100的二进制数，从而改变了 i 。
🔱结论： 在同一时间内你只可以使用联合体中的一个成员。
4.联合体大小的计算
💬代码：
#include union Un{ char a[5];//5 int i;//4};int main(){ union Un u; printf("%d\n", sizeof(u)); return 0;}🚀运行结果：
按照上面的分析应该是5呀，为什么是8呢？
其实联合体也是存在对齐的，现在我们深入探究联合体的大小规则：
📚 联合体大小的计算：
① 联合的大小至少是最大成员的大小，但不一定是最大成员的大小。
② 当联合体的大小不是最大对齐数的整数倍时，就要对齐到最大对齐数的整数倍。（或者说是联合体大小要是所有成员变量类型大小（类型最大值）的整数倍。）
因此：
5.联合体应用
💬一道面试题：
判断当前机器大小端
大小端仙人指路：C语言进阶系列之数据存储
之前的方法： 将int*的地址强转为char*，达到访问一个字节的目的。
#includeint check_sys(){int a = 1; //0x00 00 00 01return (*(char*)&a);//返回0,大端;返回1,小端}int main(){int ret = check_sys();if(0 == ret)printf("大端\n");else if(1 == ret)printf("小端\n");return 0;}现在，我们通过联合体的方式判断（利用了联合体特点）：
#include int check_sys(){ union U { char c; int i; } u; u.i = 1; return u.c;// 返回1,就是小端;返回0,就是大端}int main(){ int ret = check_sys(); if (0 == ret) printf("大端\n"); else if(1 == ret) printf("小端\n"); return 0;}🚀运行结果：
写文和制图不易，恳请各位铁汁们点赞收藏评论加关注，你们的支持是我坚持的动力~
……未完待续
✒️ 笔者：陈汉新
📅 更新： 2022.3.28
❌ 勘误： 暂无
📣 声明：由于作者水平有限，本文错误之处在所难免，敬请读者指正！