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自定义结构类型：结构体、枚举、联合_暴走的橙子～的博客

20 人参与  2022年02月14日 14:16  分类 : 《休闲阅读》  评论

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目录

结构体

结构的声明

特殊的声明

 结构的自引用

结构体内存对齐

 为什么存在结构对齐

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？

offsetof 宏实现    

 位段

位段的内存分配

 位段的跨平台问题

位段的应用

枚举

枚举的定义

 枚举的优点

枚举的使用

 联合（共用体）

联合类型的定义

联合体的特点

面试题：判断当前计算机的大小端存储

 联合大小的计算

结构体

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。
它可以用来描述复杂对象。

       比如：当描述一个学生的基本情况，c语言里提供的（int、char、double.....）类型无法满足描述这种复杂类型,所以结构体就可以很好来解决这类情况。

结构的声明

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

    char name[20];//姓名
    char sex[5];//性别
    int age;//年龄
    char id[20];//学号   ------------------成员变量，用来描述学生个人信息

特殊的声明

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

我们发现struct后面没有结构体标签，这种类型叫做匿名结构体。

匿名结构体特点

1、定义变量时只能在创建结构体同时定义，在后面不能定义。

2、如果遇到两个匿名结构体成员变量一样，编译器也会把这两种声明当成完全不同的类型。

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p=&x;

警告： 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。


 结构的自引用

在一个结构体中包含一个类型为该结构体类型是否可以呢？

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

 这用定义是不正确的。一个结构体里面不能包含一个类型为该结构体类型。

计算sizeof时：

struct Node next;在调用时会不断递归 / 死循环下去，不断消耗栈空间。造成系统崩溃。

正确改进方法：


#include<stdio.h>
struct Node
{
	int data;
	struct Node* next;
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct Node));
}

计算结果如下：

 int 是4个字节 struct Node*是指针，在32位平台上也是4个字节，根据结构体内存对齐原理（在后面会详细介绍），不难算出大小事8个字节。

注意

typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
这样的代码正确吗？ 

Node*next;在定义时，Node是在后面定义的，在这里还没有声明出来，编译器还不能识别。

改进：

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

结构体内存对齐

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中默认的值为8
     Linux中的默认值为4
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

是不是感觉无从下手，接下来我们来举个栗子：

struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};

   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中默认的值为8
   Linux中的默认值为4char是1个字节

char 1个字节< 8个字节 ------- 偏移量为1

int    4个字节< 8个字节 ------- 偏移量为4

char 1个字节< 8个字节 ------- 偏移量为1

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。

下一个位置偏移量为1，不是4的倍数，所以要浪费3个字节的空间到偏移量为4的位置。

                           

和上面同理。

char的偏移量为1,8是1的倍数。

                          

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。

    此时结构体的大小事9个字节，不是最大偏移量（4）的倍数，所以要继续浪费3个字节的空间。此时结构体的大小为12。

                         

到这里是不是对结构体内存对齐有个大致的了解了？

对于结构体嵌套结构体的情况举个栗子： 

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

char 偏移量为1

                             

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

struct S1在通过上面的计算已知为12。

嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处：struct S1里面成员最大的对齐数为4（int）。但是在对齐数之后填充的字节个数为struct S1的字节大小。

double的类型为8（要从偏移量为8的倍数处开始往后填充）

                                 

 此时结构体的大小为24，是最大偏移量的整数倍。

                                             

 为什么存在结构对齐


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
 

在这里解释下性能原因：

假设CPU一次读取4个比特位，如果存在内存对齐，每次读到的都是有效地址，此时CPU只需要读取一次就可以了。 

第一次在读取时，假设CPU一次往后读取了4个比特位，其中0x00ff42 和它后面的地址对应的空间也被读取了。

在第二次读取时，又从0x00ff42那个位置开始读取，和第一次读取内存时地址0x00ff42访问了两遍。

这种重复的过程占用了不该消耗的CPU，导致性能下降。

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？

1、让占用空间小的变量尽量集中在一起
 

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

S1和S2的成员变量一样，但是结构体大小却不一样。

2、修改默认对齐数

#pragma pack(2)//假设设置默认对齐数为2

#pragma pack() //取消默认对齐数，还原为默认

实际比较一下：

#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8
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;
}

结果如下：

    

 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。

 注意：尽量设置为2的次方个数。

offsetof 宏实现    

既然了解了结构体偏移量，在这里介绍一个函数:offsetof(计算结构体中某变量相对于首地址的偏移量)

             

structNama：结构体类型名

memberName：对应结构体成员中的变量名

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
//例如：
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
}s1;
int main()
{
	int ret = offsetof(struct S1, i);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

运行结果：

 位段

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....（整型） 。
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

举个栗子：

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

A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少？

测试结果如下：

          

 这时候我们发现计算出来的结果大小和我们的预测很不一样。通常我们会以结构体的计算方式来，但是在这里并不是这样。

那具体是怎么计算的呢？

在存放_a的时候首先开辟一个4个字节的空间 - 32个比特位;

_a占2个字节；紧接着_b会在同一块空间存放；_c也会接着存放；此时一共占用了17个比特位<32个比特位。

_d在存放时，第一次开辟的32个比特位空间大小不够了，会重新开辟一次；

整体一共开辟8个字节。

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。

我们接下来以VS为例，来测试一下。

举个栗子：

struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};
struct S s = {0};
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;

用一张图来解释~

 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位机器最大16，32位机器最大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。

位段的应用

       假如我们给某个人发消息时，传输信息时 并不简简单单的把消息传输到后台服务器，而是将分装好的消息进行传输，由上图可知，有效的利用了位段的特点，将各类要分装的信息空间利用合理化，有效节省空间，这样整个网络状态就大大提高。

      如果不使用位段的，好比高速公路上全是大卡车在行驶；如果使用位段，好比高速公路上全是小轿车在跑。这两者对比起来我们不难发现后者情况交通会更加流畅。

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
颜色也可以一一列举。

枚举的定义

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
};

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 = 4,
    BLUE 
};

对于每个变量的数值情况：

                  

 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

枚举的使用

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

这种方法可行不？此时clr的大小是多少？

         

 枚举也可以像结构体一样在开始设置变量。

enum Color//颜色
{
	RED = 1,
	GREEN = 2,
	BLUE = 4
}clr;
int main()
{
	clr = RED;
	printf("%d\n", clr);
	return 0;
}

比如：

                   

 联合（共用体）

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，特征是这些成员公用同一块空间（所以联合也叫共用体）。 比如：

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

测试如下：

             

 在这联合体中，成员变量中最大的是int 类型，则un的大小最小是4个字节。

联合体大小计算也存在对齐情况，要对齐到最大对齐数的整数倍。所以在这里un大小是4。

在后面也会有具体介绍。

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（因为联合至少得有能力保存最大的那个成员）。

union Un
{
int i;
char c;
};
union Un un;
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%d\n", &(un.i));
printf("%d\n", &(un.c));

 我们发现它们的起始地址是一样的。
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);

具体涉及到大小端的存储方式，结果如下：

 

面试题：
判断当前计算机的大小端存储
 

#include<stdio.h> 
int Check()
{
	union U
	{
		int i;
		char a;
	}u;
	u.i = 1;
	//返回1---小端
	//返回0---大端
	return u.a;
}
int main()
{
	int ret = Check();
	if (ret == 1)
	{
		printf("小端\n");
	}
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

     

 联合大小的计算

联合的大小至少是最大成员的大小。
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：

union Un1
{
char c[5];
int i;
};
union Un2
{
short c[7];
int i;
};
//下面输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));

c是一个数组，包含5个char类型每个大小为1个字节；数组总共是5个字节

int是4个字节；

所以这个共用体大小至少为5个字节；最大对齐数又是4，所以要浪费3个字节的空间。

则该共用体的大小事8个字节。


printf("%d\n", sizeof(union Un2));

c是一个数组，包含7个short类型每个大小为2个字节；数组总共是14个字节

int是4个字节；

所以这个共用体大小至少为14个字节；最大对齐数又是4，所以要浪费2个字节的空间。

则该共用体的大小事16个字节。

测试结果：


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对齐  结构  字节  
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