C语言自定义类型详解（结构体、枚举、联合体和位段）

前言

一、结构体

1、结构体类型的声明

当我们想要描述一个复杂变量――学生，可以这样声明。

✒️代码展示：

struct Stu
{
    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
int main()
{
    struct Stu s2; 
    return 0；
}

🔖解释说明：

• struct是结构体的关键字
• Stu是结构体标签名
• struct Stu是结构体的类型
• 大括号内包围的是结构体成员变量的列表
• 变量s1是类型为struct Stu的全局变量，变量s2是该类型的局部变量

在声明结构时，也有特殊的声明，比如不完全声明――匿名结构体类型，省略掉了结构体标签。

✒️代码展示：

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

那么，此时，问题来了！

在上面的代码基础上，p = &x,这样的代码合理吗？

而且，像这样的匿名结构体类型只能使用一次，因为没有标签名。

2、结构体的自引用

众所周知，函数可以自己调用自己，叫做函数的递归，那么结构体是否也有自己引用自己呢？如果有又是如何实现的呢？

✒️代码展示：

//代码一：
struct N
{
    int data;
    struct N next;
};
//代码二：
struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
};
//代码三：
typedef struct
{
    int data;
    Node* next;
}Node;
//代码四：
typedef struct Node
{
    int data;
    struct Node* next;
}Node;

🔖解释说明：

代码一：

这样自引用是不正确的。当想要计算struct N类型所占空间大小时，就会出现疯狂套娃现象，无法计算结果，因此是不可取的

代码二：

这才是自引用的正确打开方式。data中存放的数据，next中存放着下一个struct Node类型数据的地址

代码三：

该代码想要实现匿名结构体的自引用，但这样做是不可取的。因为需要完整的定义了该结构体才可以重新命名为Node。然而定义的成员列表中又有Node*，先后问题产生了。

代码四：

可以通过这种重定义方式实现自引用。

3、结构体变量的定义和初始化

既然已经有了结构体类型，那么对其定义和初始化就变得非常的简单

✒️代码展示：

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

掌握了结构体的基本使用，还应当重点了解结构体内存对齐问题从而计算结构体的大小，这是一个关于结构体的重点考点

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。
2. 其他成员变量需要对齐到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没有默认对齐数
3. 结构体总大小为最大对齐数的整数倍。
4. 当嵌套结构体时，嵌套的结构体对齐需要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的整数倍（包含嵌套结构体的对齐数）。

✒️代码展示：

//练习1
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
    char c1;
    char c2;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
    double d;
    char c;
    int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
    char c1;
    struct S3 s3;
    double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

👁效果展示：

🔖解释说明：

结构体类型struct S1和struct S2两者的成员组成是一样的，但是定义顺序有所差别，后者与前者相比将占用空间小的变量集中在了一起，导致两者在遵循结构体对齐条件下，所占内存大小不一样。做个对比吧！

结构体类型struct S3和struct S4是另外两个典型例子，后者嵌套前者。

简而言之，该做法就是为了拿空间换取时间

如果。。。

另外。。。

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。

这里我们将使用预处理指令#pragma来改变默认对齐数

✒️代码展示：

#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()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    printf("%d\n", sizeof(struct S2));
    return 0; 
}

👁效果展示：

🔖解释说明：

5、结构体传参

✒️代码展示：

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->data[2]);
}
int main()
{
    print1(s);  //传结构体
    print2(&s); //传地址
    return 0;
}

👁效果展示：

🔖解释说明：

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，导致性能的下降。比如在这里，如果直接传值s的话，由于结构体中创建了一个很大的数组data，导致结构体过大，传参时浪费的内存空间很大，效率低下。但是如果传址&s的话，作为一个指针，占四个字节，极大提高了运行效率。

简而言之，结构体传参时，传结构体的地址更好

二、位段

1、位段的定义 

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域” 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

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 、signed int、char 。
• 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字(指该成员占的比特位)。

✒️代码展示：

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

2、位段的内存分配

位段的内存分配规则：

1. 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int或者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。

✒️代码展示：

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;

🔖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。

简而言之，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。

3、位段的应用

🔖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。

三、枚举

1、枚举类型的定义

在数学和计算机科学理论中，一个集的枚举是列出某些有穷序列集的所有成员的程序，或者是一种特定类型对象的计数。这两种类型经常（但不总是）重叠。枚举在日常生活中很常见，例如表示星期的SUNDAY、MONDAY、TUESDAY、WEDNESDAY、THURSDAY、FRIDAY、SATURDAY就是一个枚举。

2、枚举的优点

枚举的优点：

1. 代码的可读性变高和可维护性变强
2. 和#define定义的标识符相比较枚举更加严谨，因为有类型检查。
3. 防止命名污染的现象
4. 方便调试，且使用方便，可以一下子定义很多常量

3、枚举的使用

枚举的说明与结构和联合相似, 其形式为：

enum 枚举名
{
    标识符[=整型常数]，
    标识符[=整型常数]，
    ...
    标识符[=整型常数]
} 枚举变量；

如果枚举没有初始化，即省掉"=整型常数"时， 则从第一个标识符开始，顺次赋给标识符0, 1, 2, …但当枚举中的某个成员赋值后，其后的成员按依次加1的规则确定其值。

✒️代码展示：

//代码1
enum Num1
{
    x1,
    x2,
    x3,
    x4
}x;
//代码2
enum Num2
{
    y1,
    y2 = 0,
    y3 = 50,
    y4
};
int main()
{
    printf("%d %d %d %d\n", x1, x2, x3, x4);
    printf("%d %d %d %d\n", y1, y2, y3, y4);
    return 0;
}

👁效果展示：

注意：

1. 枚举中每个成员(标识符)结束符是==","== 不是";", 最后一个成员可省略","。
2. 初始化时可以赋负数, 以后的标识符仍依次加1。
3. 枚举变量只能取枚举说明结构中的某个标识符常量。
4. 枚举值是常量，不是变量，不能在程序中用赋值语句再对它赋值(比如上面的代码出现y3 = 3; ❎)。
5. 只能把枚举值赋予枚举变量，不能把元素的数值直接赋予枚举变量，除非进行了强制类型转换(比如上面的代码出现x = x2✔️ x = 1❎x = (enum Num1)1✔️)

四、联合体（共用体）

1、联合体的定义

需要使几种不同类型的变量存放到同一段内存单元中。也就是使用覆盖技术，几个变量互相覆盖。这种几个不同的变量共同占用一段内存的结构，在C语言中，被称作“共用体”类型结构，简称共用体，也叫联合体。

2、联合体的特点

联合的成员是共用同一块内存空间的，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）

✒️代码展示：

//联合类型的声明
union Un
{
    char c;
    int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;
int main()
{
    //例①
    printf("%p\n", &(un.i));
    printf("%p\n", &(un.c));
    //例②
    un.i = 0x11223344;
    un.c = 0x55;
    printf("%x\n", un.i);
    return 0;
}

👁效果展示：

🔖解释说明：

通过例①的结果，我们可以直观发现成员变量c和成员变量i共用地址

例②更加证实这一点，由于大小端存储，变量i是以44 33 22 11这样的顺序存储的，因为变量c与其公用地址，因此55将44覆盖，在内存中变量i为55 33 22 11，打印出来为11 22 33 55

联合体的相关应用：

在之前我们已经学会了判断计算机大小端的方法，这里可以通过共用体的特点来实现

#include <stdio.h>union Un{    char c;    int i;}num;int main(){    num.i = 1;    if(num.c == 1)    {        printf("小端存储")    }    else    {        printf("大端存储")    }    return 0;}

向成员变量i中存放一个1，查看成员变量c的值，由于该变量是char类型，因此只访问了第一个字节。

3、联合体的大小计算

联合体大小计算规则：

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。

✒️代码展示：

#include <stdio.h>
union Un
{
    char c;
    int i;
}num;
int main()
{
    num.i = 1;
    if(num.c == 1)
    {
        printf("小端存储")
    }
    else
    {
        printf("大端存储")
    }
    return 0;
}

👁效果展示：

总结