一篇博客学会系列（2）—— C语言中的自定义类型 ：结构体、位段、枚举、联合体
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前言
C语言的内置类型有：char、short、int、long、long long、float、double。
而这些内置类型不能够解决所有问题，生活中会存在一些复杂对象。
比如描述一个人，名字、性别、年龄、身高、体重.......
描述一本书，书名、作者、出版社.......
由于会存在复杂对象，因此C语言就支持了自定义类型，这就是这篇博客即将讲到的结构体、位段、枚举、联合体（共用体）。
1、结构体
结构体是一种用户自定义的数据类型，用来将多个关联的数据项组合到一起，形成一个完整的数据集合。
数组是一组相同类型元素的集合，而结构体可以包含不同类型的数据，例如整型、字符型、浮点型、数组、指针等等。结构体中的每个数据被称为成员变量。
1.1、结构体类型的声明
- 结构体关键字struct
- 自定义类型名tag
- 成员列表member-list
- 结构体变量名variable-list
struct tag
{
member-list;
}variable-list;例如描述一个学生：
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s1, s2, s3;//分号不能丢 s1,s2,s3是三个结构体变量，为全局变量
int main()
{
struct Stu s4, s5, s6; //s4,s5,s6是三个结构体变量，为局部变量
return 0;
}1.2、特殊的结构体类型声明
匿名结构体类型在定义时没有自定义类型名，并且在定义时就创建了结构体变量(s1)。
特点：因为没有自定义类型名，无法在以后通过自定义类型名进行创建，所以只能在定义时创建结构体变量。
struct
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}s1;//分号不能丢【易错提醒】
下面代码是否可行？
struct
{
char name[20];
int age;
char sex[5];
char id[20];
}s1;
struct
{
char name[20];
int age;
char sex[5];
char id[20];
}* p;
int main()
{
p = &s1; //是否可行？
return 0;
}【答案 】
不可行， 在编译器看来，虽然两个结构体的成员变量是一样的，但是仍然会认为是两个结构体类型，因此编译器会报警告的。
1.3、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的成员可以吗？
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};其实可以换一种思路：如果可以直接在结构体内包含本身，那么该结构体大小一定是可以用sizeof()计算的，因为如果可行的话就必然会存储在内存中，而存储在内存中的话又必然会有大小。相反如果无法计算大小，就证明该自引用方式不行。
那么当我们运行sizeof计算该结构体大小时候会发现编译器报错了，即证明该自引用方式是错误的。
【正确的结构体自引用】
因为地址（指针）的大小是确定的，所以可以传递指针来实现结构体的自引用。
struct Node
{
int data;
struct Node* next; //结构体指针
};
int main()
{
printf("%dn", sizeof(struct Node));
return 0;
}1.4、结构体的定义和初始化
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 = { 1, 2 };
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1.5、结构体成员变量的调用
- 结构体变量名.成员变量名
- 结构体指针->成员变量名
1.6、结构体内存对齐
- 我们已经掌握了结构体的基本使用了。
- 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
如果两个结构体的成员变量都一致，那么他们的大小会一样吗？
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%dn", sizeof(struct S1)); //结构体大小为多少？
printf("%dn", sizeof(struct S2)); //结构体大小为多少？
return 0;
}【运行结果】
出乎意料的是，S1的大小是12，而S2的大小是8，它们的大小啊是不一致的，这是为什么呢？下面我们介绍一个宏offsetof，用这个宏来探究什么导致了S1和S2大小不一。
1.6.1、offsetof
宏offsetof用于计算结构体成员相较于起始位置的偏移量，返回的就是偏移量。
【计算S1】
首先c1、c2占一个字节，i占四个字节。然后用offsetof计算出偏移量为0、4、8。
而S1总大小又为12，那么将c1、i、c2按照偏移量存入内存中后可以观察到，如果S1为12，那么将有6个字节的空间被浪费（红色区域），这是为什么呢？
【计算S2】
S2计算的大小是8，那么将成员变量按照偏移量存入内存中后，可以观察到被浪费了2个字节的空间（红色区域），为什么会出现浪费的空间，而且浪费的空间还不一样呢？下面将为大家讲解结构体内存对齐。
1.6.2、结构体大小的计算
首先得掌握结构体的对齐规则：
- 第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
- 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（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。
那么当我们知道了对齐数这个东西之后，我们就来试着自己计算一下s1和s2的大小。
【手动计算S1】
- 第一个成员c1直接放在0偏移处。
- i的自身大小为4，vs默认对齐数为8，较小值就为4，因此要放到4的整数倍的位置上，即跳过（浪费）3个字节放在4偏移处，占4个字节。
- c2自身大小为1，vs默认对齐数为8，较小值就为1，因此要放到1的整数倍的位置上，任何数都是1的整数倍，因此直接放在i后面就可以了。
- 此时还没结束，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。c1对齐数1，i对齐数4，c2对齐数1，因此最大对齐数为4，此时大小为9，需要再浪费3个空间，使结构体总大小到达12成为4的倍数，这就完成了一次结构体的计算。
【手动计算S2】
- 第一个成员c1直接放在0偏移处。
- c2自身大小为1，vs默认对齐数为8，较小值就为1，因此要放到1的整数倍的位置上，任何数都是1的整数倍，因此直接放在c1后面就可以了。
- i的自身大小为4，vs默认对齐数为8，较小值就为4，因此要放到4的整数倍的位置上，即跳过（浪费）2个字节放在4偏移处，占4个字节。
- 此时还没结束，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。c1对齐数1，i对齐数4，c2对齐数1，因此最大对齐数为4。但是此时的大小刚好就为4的倍数，因此不需要在浪费其他空间了，结构体大小就为8。
1.6.3、为什么存在内存对齐？
当我们了解完结构体内存对齐之后，我们还有一个问题：什么会存在内存对齐呢 ？
大部分的参考资料中都涉及到两种原因：
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：
让占用空间小的成员尽量集中在一起。例如上面作为例子使用的S1和S2，它们的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别，就是因为S2将小的成员放在了一起。
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
}; //结构体大小12
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
}; //结构体大小8
1.7、 修改默认对齐数
之前我们见过了 #pragma 这个预处理指令，这里我们再次使用，可以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("%dn", sizeof(struct S1));
printf("%dn", sizeof(struct S2));
return 0;
}【运行结果】
这里非常好理解，对齐数设置为8的情况我们在上面已经计算过了，那么设置为1的时候就等于没有对齐了，因为任何数都是1的整数倍，所以直接就等于1+4+1 = 6。
1.8、结构体传参
下面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
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("%dn", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
printf("%dn", ps->num);
}
int main()
{
print1(s); //传结构体
print2(&s); //传地址
return 0;
}【答案】
首选 print2 函数，因为函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。
如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。
2、位段
位段的出现是为了节省空间的。
2.1、什么是位段
位段的“位”，就是二进制位的“位”。位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
- 位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int 。在 C99之后，也可以是其他类型，但基本上也都是int、char这些整型家族的类型。
- 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
struct A
{
int _a : 2; //_a占用2个bit位的空间
int _b : 5; //_b占用5个bit位的空间
int _c : 10; //_c占用10个bit位的空间
int _d : 30; //_d占用30个bit位的空间
};
int main()
{
printf("%dn", sizeof(struct A));
return 0;
}
//提示：1个字节等于8个bit位
正常情况下四个int类型开辟出来的大小为16个字节，但是如果使用上面的代码实现的话只用了8个字节，下面就来讲解一下位段的内存分配。
2.2、位段的内存分配
- 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
- 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。
- 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。
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;
int ret = sizeof(struct S);
printf("%dn", ret);
return 0;
}
【运行结果】Visual Studio 2022环境下测试结果
结果为3个字节。
疑问：3+4+5+4 = 16bit位，1个字节等于8个bit位，为什么不是开辟2个字节呢？
我们可以在内存存放的值中找到答案。
从图解可以得出结论：当空间不够存放下一个成员时，剩下的空间不会被使用，而是会开辟另外一个空间然后将内容存放到新开辟的空间中去，因此上述代码的结果才会是是3而不是2。
2.3、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。（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。
2.4、位段的应用
网络协议栈，网络底层传输数据。
在当今的互联网时代下，通过网络传输数据已经非常普遍了，那么大家有没有想过，当我们发送的一条短信，一条微信消息时，网络传输部分是怎样处理的，它是只传输了消息本身吗？当然不是，一条最简单的消息都要包含许多其他的数据，比如这条消息的发出时间，发送者的ip地址，发送对象的ip地址等等等等。一条消息包含了那么多数据，那么如果没有位段的出现，就会导致单条消息传输的体积过大，会导致网络负载过大，不利于我们的日常使用和服务器的数据存储。使用位段就能很好的压缩体积大小，使得消息更加小而轻便。
3、枚举
枚举，顾名思义就是一一列举，把可能值都一一列举。
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
3.1、枚举类型的定义
以下定义的 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 。
enum Day//星期
{
Mon, //枚举的可能取值是默认从0开始的。
Tues,
Wed,
Thur,
Fri,
Sat,
Sun
};
enum Sex//性别
{
MALE,
FEMALE,
SECRET
};
enum Color//颜色
{
RED,
GREEN,
BLUE
};
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=2,
BLUE=4
};3.2、枚举的优点
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：
- 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
4、联合体（共用体）
4.1、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：
union Un
{
char c;
int i;
};
4.2、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）。同时因为共用一块内存空间，所以同一时间只能使用一个。
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
union Un un;
printf("%dn", sizeof(un));
printf("%pn", &(un));
printf("%pn", &(un.c));
printf("%pn", &(un.i));
return 0;
} 
4.3、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。
union Un
{
char c[5]; //大小为5，对齐数为1
int i; //大小为4，对齐数为4
};
int main()
{
printf("%zdn", sizeof(union Un));
return 0;
}【运行结果】
最大成员大小为5，但是最大对齐数是4，所以需要对齐到8。
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