C语言重点突破（四）自定义类型详解

前言

本文意在介绍C语言里的常规自定义类型，它是C语言里最重要的概念之一，是我们从简单使用C语言到综合运用必不可少的知识之一，在C语言中具有重要的地位和作用，掌握自定义类型的使用方法和技巧对于写出高质量的C程序是非常重要的。

本章重点
结构体
结构体类型的声明
结构的自引用
结构体变量的定义和初始化
结构体内存对齐
结构体传参
结构体实现位段（位段的填充&可移植性）
枚举
枚举类型的定义
枚举的优点
枚举的使用
联合
联合类型的定义
联合的特点
联合大小的计算

一.结构体

1.结构体类型的声明

C语言里已经内含了一些基本的数据类型（整型，字符型等），但在实际编程中，我们会碰到一些复杂的数据类型，例如描述一个学生，或者是一辆汽车等一些实际事物光靠基础的类型是不能简单描述的，这时候结构体就派上了用场。

结构体说白了，就是数据的集合，里面的成员可以有多种类型，例如描述一个学生，得有名字，性别，年龄，学号等一些信息，这时就可以用结构体来进行定义。

结构体定义如下

定义一个学生：

struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}; //分号不能丢

上面是常规的声明，缺点是每次定义时都要将struct关键字写入，影响编写效率，下面有一种特殊的声明，此时省略了结构体标签（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;

要注意，这时候定义的结构体变量（x，a【20】，*p）都是全局变量，而在主函数里进行定义则是局部变量（对主函数全局）。

那么问题来了，如果我此时再加上p = &x这一行代码，阁下又该如何应对呢？

可以试着编译一下，运行是没有问题的，但编译器会报警告，尽管两个结构体组成是一样的，但编译器会把它们当作不同的类型进行编译，这种做法不建议。

2.结构体的引用

既然结构体能存放不同的类型，那能不能存放结构体类型呢？

答案是可以的。

//代码1
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
//可行否？
如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

编译一下你会发现，甚至都无法编译，这相当于一个结构体里存放一个自己的结构体，同时这个结构体也可能会存放和自己的结构体，大小根本计算不了，那该如何引用呢？

那就引用地址嘛，通过地址就可以找到该结构体并进行引用，而同时存放地址的指针在编译器里的大小是确定的，这样一来也能计算该结构体的大小。

//代码2
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};

讲到这里我们再看看下面一段代码

//代码3
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？

答案显然是不行的，虽然是匿名结构体，但体内已经有了Node类型的指针，后面才生成Node类型，这就导致指针的类型是未定义的，要注意编译的先后顺序。

正确代码

//解决方案：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;

3.结构体变量的定义与初始化

下面是结构体变量的定义与初始化

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
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};
struct Stu //类型声明
{
char name[15];//名字
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

4.结构体内存对齐

前面我们留下了一个问题，就是关于结构体的大小应该如何计算，同时这也是一些大厂笔试特别热门的考点：结构体内存对齐

下面介绍一下结构体的对齐规则：

1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处（偏移量就是地址相较于起始地址的差值）

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。

3.结构体总大小为最大对齐数（每一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。

看到这里，你可能还有一点懵，我们来个例子解释一下：

struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

我们来分析一下：（在vs环境里默认对齐数是8）

char类型在内存里占1个字节，由于起始地址是0，与8比较起来1较小，所以对齐数是1，而内存起始地址我们设为0，可以看出，结构体的第一个成员永远放在内存的起始地址。

接下来是int类型，在内存中占4个字节，但0的下一位就是1，不是4的整数倍，根据对齐规则，就得对齐到4的位置进行存放4个字节。

最后是char，和第一个一样，直接存放下一个（8）即可。

现在结构体占的大小是0~8，一共九个字节，而结构体成员的最大对齐数是4，还得对齐到4的整数倍上才能算结构体的大小，就是12.

很多人会有疑问了，为什么会存在内存对齐这种说法呢？

结构体内存对齐是为了使结构体的访问更加高效。当结构体中的字段内存对齐后，CPU 可以更快地访问字段所对应的内存地址，因为它们与 CPU 的缓存结构更加匹配。如果结构体的字段没有进行内存对齐，则会导致 CPU 访问内存的效率较低，这会影响程序的性能。

此外，一些计算机体系结构需要结构体内存对齐才能正确工作。例如，一些处理器需要对 4 字节或 8 字节的内存地址进行访问，这意味着结构体中的字段必须按照 4 字节或 8 字节的边界进行对齐才能被正确访问。

因此，结构体内存对齐是为了提高程序的性能和可靠性，确保结构体中的字段可以被正确访问。

简单的来说就是：内存对齐是一种舍弃空间换取时间的方法。

不同的编译器默认的对齐数是不一样的，但可以通过 #pragma 这个预处理指令，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;
}

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。

5，结构体传参

关于结构体传参，有以下两种方式：

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)
{
printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
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;
}

传结构体和传地址都能实现传参的功能，但那一种会比较好呢？

函数传参传地址和传变量是两种不同的方式。

当使用传地址方式时，函数的参数将是指向变量内存地址的指针。这意味着函数将直接访问变量的内存地址，对变量的操作将在原始地址上进行。这种方式通常用于需要在函数内部修改变量的情况。这种方式可以避免在函数内部对变量进行拷贝，从而提高性能和效率。

当使用传变量方式时，参数是变量本身。这意味着函数将使用变量的副本进行操作，并不会直接改变原始变量。这种方式通常用于不需要修改变量的情况，或者对变量进行操作时不需要改变原始值的情况。

总的来说，传地址方式更加灵活，可以实现更复杂的操作，但需要注意避免因为指针操作不当而导致的错误。传变量方式相对简单，使用起来更为直观，但不能直接在函数内部修改变量的值。

6.结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

位段是一种数据结构，它允许程序员在内存中为字段指定特定数量的位数，而不是以字节为单位。这样做有时可以节省内存空间。

在C语言中，可以使用位段来定义一个包含多个字段的结构体。例如，假设我们要定义一个结构体来存储一个16位的数据包，其中包含4个不同的字段，每个字段分别占用4位，可以使用位段来定义这个结构体。

需要注意的是，使用位段可能会导致一些不便之处。例如，不能使用 sizeof 运算符来计算结构体的大小，因为它计算的是按字节对齐的大小。而且不同编译器可能会对位段的实现有所不同，导致可移植性问题。因此，使用位段时需要仔细考虑其适用性和安全性。

位段的声明

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};

位段的内存分配

首先要知道的就是位段是比特为单位进行分配空间的

举个例子

如下图，a是char类型，占1个字节（8比特）在主函数里，给a赋值10，但位段要求，只能保留3为比特位，所以要进行截取保留3位，以此类推，当存放的位数已满足一个字节或剩余的比特位空间不够，此时就得再开辟一个字节进行存储。

位段在不同编译器和不同平台上的实现是有所不同的，这可能会导致跨平台问题。

最常见的问题之一是，如何对位段进行按位运算。在一些平台上，位段是定义为无符号整数，可以直接进行按位运算；但在另一些平台上，则需要将位段转换为整数类型，才能进行按位运算。

此外，位段的顺序和字节对齐方式也可能会发生变化。例如，在某些平台上，位段的顺序是从左向右，而在其他平台上，顺序是从右向左。同时，一些平台可能会对位段进行字节对齐，而其他平台则不会。

为了避免位段的跨平台问题，可以采取以下措施：

避免在位段中使用多个类型。
明确指定位段的顺序和字节对齐方式。
避免使用位段进行按位运算，或者使用平台无关的按位运算规则。
在不同平台上进行测试和调试，确保代码的可移植性和正确性。

总之，位段虽然能够节省内存空间，但也需要考虑其在不同平台上的实现和兼容性，以保证代码的正确性和可移植性。

二.枚举

枚举顾名思义就是一一枚举

1.枚举类型的定义

enum Day//星期
{
Mon,
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
enum Sex//性别
{
MALE,
FEMALE,
SECRET
}；
enum Color//颜色
{
RED,
GREEN,
BLUE
};

上面的Day、Sex、Color、都是枚举类型，括号里的叫做枚举常量，这些常量都是有值的，默认从0开始，一次递增1，也可以在定义的时候进行赋值。

enum Color//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};

2.枚举的优点

程序可读性强。枚举类型可以使用具有意义的符号名称来表示常量，使得程序的可读性更高，增加代码的可维护性。
减少代码中的魔数。枚举类型可以减少代码中出现的"魔数"（没有明确含义的数字），从而提高代码的可读性和可维护性。
编译器提供类型检查。枚举类型被视为一种类型，因此编译器可以进行类型检查，从而避免一些常见的错误，例如将一个枚举类型的值赋给另一个类型的变量。
枚举类型可以实现类型安全的类型别名。实际上，枚举类型可以用来实现一些类型安全的类型别名，例如使用枚举类型来定义一个有限的整数集合。

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; //ok??

三.联合体（共用体)

1.联合类型的定义

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成员，特征是这些成员公用一块空间。

//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;
//计算连个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));

2.联合的特点

联合体的成员是共用一块内存空间的，所以一个联合变量的大小，至少是最大成员的大小。

3.联合体的大小计算

要注意的问题：

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时，就要对齐到最大对齐数的整数倍。