自定义类型-结构体，联合体和枚举-C语言

暴力的bug制造机2023-12-02 23:14

引言

能看到结构体，说明C语言想必学习的时间也不少了，在之前肯定也学习过基本数据类型，包括整型int，浮点型float等等。可是在日常生活中，想要描述一个事物并没有那么简单。比如，你要描述一本书，关于本书需要描述出书名，定价，以及作者等信息，单靠整数，或者是字符数组都没办法一次性描述清楚，这里就引申出了一种新的可自定义类型------结构体。在一个结构体中，可以定义多种相同或者不同的数据类型，有了结构体，我们便可以根据需要创建自己的数据类型，来描述一些复杂的事物了。同时，本篇还要介绍以下另外两种自定义类型，联合体和枚举。

结构体struct

结构体的创建以及应用

下面写出结构体基本定义

cpp 复制代码 
struct tag  //tag为类型名称
{
    member-list;//这里可以定义多行数据类型
}variable-list; //变量创建，可以在此创建结构体变量

在描述完上方定义后可能你会有些疑惑，但别急，接下来给大家举个例子，现在我们定义一个关于学生的结构体

cpp 复制代码 
struct Stu  //这是创建了一个结构体类型
{
	char name[30];
	int age;
	char number[30];
};
struct Stu student={"zhangsan",19,"2003020102"};
//这时在创建结构体类型后运用其创建结构体变量,同时对变量初始化
cpp 复制代码 
struct Stu   //这时创建类型的同时创建了三个结构体变量
{
	char name[30];
	int age;
	char number[30];
}student1, student2, student3;

像上方这样， 我们的结构体类型以及变量就创建好了，在创建的同时，还可以进行初始化。下面代码将应用这些变量。以（结构体变量.成员）的形式来访问结构体变量中的元素。

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[30];
	int age;
	char number[30];
};
int main()
{
	struct Stu student = { "zhangsan",19,"2001040302" };
	printf("%s\n%d\n%s\n", student.name, student.age, student.number);
	return 0;
}

结构体指针形式访问

运用一个指针指向结构体，通过->符号可以直接访问元素，下面是使用样例。

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
struct Stu
{
	char name[30];
	int age;
	char number[30];
};
int main()
{
	struct Stu student = { "zhangsan",19,"2001040302" };
	//printf("%s\n%d\n%s\n", student.name, student.age, student.number);
	struct Stu* p;
	p = &student;
	printf("%s\n%d\n%s\n", p->name, p->age, p->number);
	return 0;
}

结果依然相同

结构体传参

现在看下面这样一组代码

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
void print1(struct S t)
{
	printf("%d %d\n", t.data[1], t.num);
}
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%d %d\n", ps->data[1], ps->num);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5},100 };
	print1(s); //传递结构体
	print2(&s);//传递结构体地址
	return 0;
}

这两种传递的方式都是正确的，但是直接传递结构体的方式却有很大的弊端，就是直接传递传递结构体需要重新开辟一片新的空间，当结构体变量比较大的时候，是极其消耗栈的内存空间的，因此会降低计算机运行效率。但是传递结构体的过程中有时并不想改变其中元素怎么办呢？我们可以给结构体加上const从而保护其中元素，使其在函数中无法通过指针改变结构体中的变量。

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>//此代码很好的在运行函数时保护了结构体变量s
struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};
void print2(const struct S* ps)
{
	printf("%d %d\n", ps->data[1], ps->num);
}
int main()
{
	struct S s = { {1,2,3,4,5},100 };
	print2(&s);//传递结构体地址
	return 0;
}

结构体特殊声明

在结构体声明中，有一些特殊的声明，它们没有类型名，同时没有对应类型，也被称作匿名结构体。这种结构体的变量只能在声明时创建。

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
struct
{
	int a;
	char b;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
}*p;
int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

当你写出上方这样的代码时，编译器会报错，因为匿名结构体没有对应的类型，就算元素相同，编译器也会将它们当成不同类型。

给结构体类型起名typedef

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
typedef struct
{
	int a;
	char b;
}S;//此时类型名为S
int main()
{
	S data = { 20,'x' };//此时，可以用类型名S来这样初始化结构体变量
	return 0;
}

结构体的自引用

奇思妙想一下，能否将结构体的元素定义成定义的结构体呢？ 像以下这种方式

cpp 复制代码 
struct Node
{
	int data;
	struct Node next;
};

其中data表示的是存储在节点Node中的元素，而next放置的是下一个结构体元素，其中包含的元素同样是一个data和一个Node。这样的想法很美好，但如果将结构体自己定义成自己的元素，那么一层一层套下去，最后导致的结果就是使Node的大小无法被定义，故此方式不可行。

不过我们可以采取另一种方式，将next定义成一个结构体指针，指向下一个结构体，像下面这样

cpp 复制代码 
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};

data是节点存储的数据，而next指向下一个结构体的地址，就像一个链条一样将结构体串联了起来，这就是数据结构中链表的内容了，不是本篇内容的重点，不做深究。

结构体内存对齐

在学习结构体中，不知道你是否考虑过这样的问题，结构体是怎么分配内存的，接下来我们将通过一个代码引入这个问题

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
struct s1
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
struct s2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%zd %zd\n", sizeof(struct s1), sizeof(struct s2));
	return 0;
}

试着猜猜上面代码会打印什么结果呢？

看看有没有出乎你的意料？

是的， 由于平台存在内存对齐，故按我们假象所计算的结果与真实编译器实现不同。

下面讲讲对齐规则

对齐规则：

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，这里的对齐是成员变量元素所占地址大小，比如char的对齐数是1，而int的对齐数为4）的整数倍的地址处。

注意：对齐数=min{编译器默认对齐数，该成员变量大小}，即两者的较小值。VS2022的默认对齐数是8，而Linux中gcc没有默认对齐数，即对齐数是成员变量自身大小。

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）整数倍。

  1. 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。

根据上述的规则，我们可以再来看看代码，跟具规则来计算开辟的空间

先来分析第一个，首先char c1，由对齐规则1，可知开辟到0地址处，然后到了char c2，char对齐到1的整数倍，所以开辟在1地址处，当开始开辟int类型i的内存时，由于i的对齐数是4，所以要对到4的整数倍上，所以最后在4的位置开辟空间，而地址2，3的内存就被浪费了，所以是空。开辟结束时所占内存大小为8，刚好是最大对齐数4的整数倍，所以最终结构体s1所占内存为8。结果见下图左方。

再来分析第二个结构体，首先还是开辟char c1在0处，然后开辟int类型i的空间，因为要与int所占内存大小4，对齐数为4，所以在4处开辟空间，1，2，3被浪费。再开辟c2，其对齐数为1，所以在8处开辟空间，在开辟完之后所占内存为9，不是最大对齐数的整数倍，所以还要再多开辟三个空间，9，10，11被浪费。最后开辟空间数为12。见下图右方。

到了这里，大家可能又有了一些疑问，为社么会存在内存对齐？下面是一些参考资料给出的解答

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；某些硬件平台只能从某些特定地址处取某些特定的数据，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，处理器需要做两次内存访问；而对齐的内存访问仅需一次。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类型数据的地址都对齐为8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分别放在8个字节内存块中。

总的来说：结构体的内存对齐是拿空间换取时间的做法

修改默认对齐数

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#pragma pack(1)//修改默认对齐数为1
struct S
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};//此时sizeof（struct S）的值为6
cpp 复制代码 
#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认对齐数

结构体实现位段

C语言中，位段是一种数据结构，允许你为结构体中的成员分配一个特定数量的位（bit），而不是分配完整的字节。这在需要精确控制内存分布或减少内存占用时很有用，比如硬件访问和网络协议设计。对于字段的声明与结构体类似，但也有不同：位段通过在结构体定义中为成员后添加一个冒号和位数（比特位）来创建的，例如：

cpp 复制代码 
struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

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类型

2.空间按照四个字节（int）/一个字节（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

位段的成员是顺序放置的，但当当前存储单元没有足够的空间容纳下一个位段时，编译器可能（会不会跳转取决于编译器）会跳转到下一个存储单元。这可能导致在存储单元有未使用的位。

编译器可能在位段的末尾添加填充,现在让我们假设一下VS2022的字段分配方式

现在有以下代码

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
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;
}

位段中的成员在内存中从左向右，还是从右向左尚未定义。

假设为从右向左分配，char中首先为8个比特位，首先a占三个比特位，我们赋a的值为10，二进制为1010，经三个比特位截断得010，也就是二

当赋值b的时候，b占4个比特位，赋值b为12，二进制1100，刚好取四位1100

下一个c占5个比特位，由于无法放下，跳转下一个位段放置的值为3，二进制00011

最后d占4个比特位，在第二个位段放入会超范围条赋值跳到下一个位段，4二进制0100放入，最终结果为下图

我们断点调试一下，验证一下结果，先取出结构体s的地址，开始内存中存的都是0，当走过s.a赋值语句时，内存中的值发生了变化

当运行过s.b后

运行s.c后

运行完s.d后

经过调试验证，得到最终结果，假设正确（注意：在调试时显示的值都是以四个比特位的形式显示的，故显示的值不一定等于存入的值）

十六进制0x 62 03 04的二进制为：01110010 000000110 00000100

位段的跨平台问题

位段的内存布局：不同的编译器可能会以不同的顺序排列位段。有些编译器可能会按照声明的顺序排列位段，而其他编译器可能会重新排序以优化空间或访问率

位段中的存储单元：位段通常储存在整型存储单元中，但不同的编译器可能会选择不同的类型作为存储单元

C中位段内存从左向右和从右向左是没有确切定义的，端序影响在大端和小端中，位段的物理存储顺序可能不同

注：由于bit位没有地址，所以位段的几个成员公用一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某些字节的起始位置，那么这些位置是没有地址的，所以无法通过取地址的方式为其赋值

cpp 复制代码 
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	//scanf("%d",&s.a);<---wrong,结构体位段不可取地址
	//以下赋值方式均正确
    s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
}

联合体union

什么是联合体

与结构体很相似，联合体也是由一个或多个成员构成，这些成员可以是不同的类型，来看看下面这段代码会打印什么

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
union u
{
	char c;
	int num;
};
int main()
{
	union u uu;
	printf("%zd\n", sizeof(uu));
	printf("%p\n", &uu);
	printf("%p\n", &(uu.c));
	printf("%p\n", &(uu.num));
	return 0;
}

可以发现，uu占用的空间只有4个字节，而且后面三个地址是相同的，这意味着什么呢？uu.c和uu.num占用的空间在相同的位置，共用一块空间，当一个元素被赋值时，另一个元素的值会被覆盖。因为联合体的这种特性，我们还叫他共用体。

联合体与共用体比较

cpp 复制代码 
struct s //结构体
{
	char c;
	int i;
};
union u  //联合体
{
	char c;
	int i;
};

上图中粉色的是被浪费的空间

联合体占用内存

关于占用内存这里要严谨一点，很多教课书和课程里都说联合体的大小是最大成员的大小，实际上这样说是错的，在联合体中也存在和结构体一样的对齐数，当最大元素所需的的空间不是对齐数的倍数时，会自动将其矫正为对齐数倍数，见下图，附上代码

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
union u
{
	char c[5];
	int i;
};
int main()
{
	union u uu;
	printf("%zd\n", sizeof(uu));
	return 0;
}

联合体的应用

也许你会问计算机内存这么大，联合体节省那一点空间真的有必要吗，但是联合体并不主要用于计算机中，在内存极其宝贵的硬件中，节省这样一些空间是很有必要的。

大小端判断（共用体版）

在上一篇博客讲到计算机内存时，曾讲过一段判断大小端的代码，链接放这里，可以去看，里面还有讲解大小端是什么。数据在内存中的存储-CSDN博客

今天我们要用联合体编写一段代码来判断大小端，见下代码

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
//n和s共用一块空间
//当给n赋值后用s可以随意取每个字节上的元素
int check_sys()
{
	union
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}
int main()
{
	if (check_sys()) {
		printf("小端\n");
	}
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

这样的代码是不是让人眼前一亮，当一个人对代码有很强的掌控力时，打代码便成了一种艺术。

枚举enum

定义枚举

通过关键字enum定义。eg：

cpp 复制代码 
enum Sex
{
	//这里列举枚举类型 性别 的可能取值
	MALE,  //男
	FEMALE, //女
	SECRET  //保密
};

默认情况下，枚举的第一个成员的值是0，后续成员值依次递增，但同时我们可以给其指定值：

cpp 复制代码 
enum Sex
{
	//这里列举枚举类型 性别 的可能取值
	MALE = 3,  //男
	FEMALE = 5, //女
	SECRET = 9  //保密
};

枚举和#define定义常量很像，枚举变量里定义的值是符号常量。

故可以这样使用

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
enum Sex
{
	//这里列举枚举类型 性别 的可能取值
	MALE,  //男
	FEMALE, //女
	SECRET  //保密
};
int main()
{
	enum Sex zhangsan = MALE;
	if (zhangsan == MALE) {
		printf("张三是男的\n");
	}
	else printf("张三是女的\n");
	return 0;
}

枚举的优点

1.代码可读性：枚举常量的使用可以提高代码的可读性和可维护性

2.类型安全：枚举提供了一个类型安全的方法来表示一组整数值

3.调试方便：调试时，枚举变量可同时显示其字符常量和其值，便于观察

结语

到了这里，结构体，联合体和枚举就介绍完了，一篇博客费时费力，画图也是一大难点，看在我这么辛辛苦苦写博客的份上，给个小小的赞不过分吧。如果感觉这篇博客对你有帮助的话，还请给个小小的赞再走啊！比心---♥

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