C语言超详细讲解结构体与联合体的使用

时间：2022-06-22 09:38:46|栏目：C代码|点击：次

结构体

结构体内存对齐问题：

当我们在计算结构体的大小时，我们便需要清楚的知道结构体内存对齐是什么。

存在内存对齐的原因可细分为两个：

平台原因：

不是所有的硬件平台都能方位任意地址上的任意数据；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则会抛出硬件异常。

性能原因：

首先内存对齐可以提高程序的性能，当访问未对其的内存空间时，有时候处理器需要进行两次访问，而当访问对齐的内存时，只需要一次就够了。这同时也被叫做用空间换取时间。

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.其他成员变量要对齐到某各数字（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）

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。

举例1:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int main()
{
	struct s1
	{
		char c1; // 1字节
		int i;   // 4字节
		char c2; // 1字节
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
}

输出结果为：

解释如下：

我们易知内存会为结构体开辟一块空间来给结构体存储数据，从而我们可以用下图的方式将该空间给表示出来：

举例2：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int main()
{
	struct s2
	{
        int i;  // 4字节
		char c1;// 1字节
		char c2;// 1字节
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));
}

输出结果为：

解释如下：

举例3：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
struct s3
{
	double d; // 8字节
	char c;   // 1字节
	int i;    // 4字节
};
struct s4
{
	char c1;   // 1字节
	struct s3; // 16字节
	double d;  // 8字节
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s4));
	return 0;
}

输出结果为：

解释如下：

结论总结：

当我们想内存对齐的同时也想节省空间时，可以将空间小的变量集中在一起！！

offsetof-宏

用途：计算结构体成员相对于起始位置的偏移量的

注意：使用该函数时，应该引用头文件 #include <stddef.h>

举例：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%u\n", offsetof(struct s1,c1));
	printf("%u\n", offsetof(struct s1, i));
	printf("%u\n", offsetof(struct s1, c2));
}

输出结果为：

位段

位段的成员类型必须为： int、unsigned int、signed int

位段的空间是按照需要以4个字节（int）或者1个字节（char ）的方式来开辟的

位段的成员名后边有一个冒号和一个数字！

举例1：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
struct s5
{              // 位段所代表的意思
	int _a : 2; // _a 占 2个bit位
	int _b : 5; // _b 占 5个bit位 
	int _c : 10;// _c 占 10个bit位 
	int _d : 30;// _d 占 30个bit位 
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(s5));
	return 0;
}

输出结果为:（原本的字节大小为 16 字节 =16*8=128 bit 现在的字节大小为 8字节且只占 2+5+10+30 = 47bite）

那为啥不是占用7字节呢？7字节有 7*8=56bite 也够使用啊？

我们便需要根据位段的规定来解释，当为（int）类型时内存空间每次都是以4字节的大小来开辟空间的，当为（char）类型时内存空间每次都是以1字节的大小来开辟空间的，所给例子为int类型，当所定的第一个4字节空间不够用时，便会再开辟一块大小为4字节的空间来供其存储，从而输出结果为8字节。

结论：

我们可以根据所定义的整型数字大小，利用位段来给其分配相适应大小的空间，从而有效的帮我们进行内存空间的节省。

举例2：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#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;
	return 0;
}

我们想要知道位段在（VS编译器）内存中是如何存储的，便可以打开监控来进行调试

如图所示：

（结构体变量s 刚开始初始化了 3字节）

（结构体变量s 经过赋值之后存储数值的变化）

解释如下图：

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。

结论：

位段涉及很多不确定因素，位段是不垮平台的，注重可移植的程序应该避免使用位段。

枚举

枚举类型是某类数据可能取值的集合

例子：一周内星期的取值为7天，可以一一列举出来

定义方式及使用方式：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum day
{
	Mon,
    Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
int main()
{
	enum day s1 = Mon;
	enum day s2 = Sat;
	return 0;
}

举例1：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum color
{
	blue,
	green,
	yellow
};
int main()
{
	printf("%d\n", blue);
	printf("%d\n", green);
	printf("%d\n", yellow);
	return 0;
}

输出结果为：（由结果知枚举常量会被自动从0开始一次往下赋值）

拓展：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum color
{
	blue=4,
	green=7,
	yellow
};
int main()
{
	printf("%d\n", blue);
	printf("%d\n", green);
	printf("%d\n", yellow);
	return 0;
}

输出结果为：（由此可知枚举常量我们可以自定义赋值，未赋值常量为其上一常量的值+1）

#define 也可以用来定义常量，那用枚举来定义常量的优点为：

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

联合体(共用体)

特点：

各成员共享一段内存空间，一个联合变量的长度等于各成员中最长的长度。

举例1：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u1;
	printf("%d\n", sizeof(u1));
	printf("%p\n", &u1);
	printf("%p\n", &u1.c);
	printf("%p\n", &u1.i);
}

输出结果为：

如图所示：

应用：（用来判断编译器是大端存储还是小端存储）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int chek_sys()
{
	union Un //创建一个联合体 char c 和 int i 共用同一块存储空间
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;    // 这里给i赋值为1
	            //若为小端存储时内存中所存储：01 00 00 00（16进制）  为大端存储： 00 00 00 01（16进制） 
	return u.c; //这里直接返回 char c 与 int i 所共用空间的值 
	            //返回1字节大小的值 即 int i 以16进制方式所存储的前两位数字 ，若值为1则为小端 若值为0则为大端
}
int main()
{
	if (1 == chek_sys())
	{
		printf("小端\n");
    }
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

输出结果：

举例2：（计算联合体的大小）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
union Un
{
	char arr[5];//5字节
	int i;     //4字节
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	return 0;
}

输出结果为：(我们从结果得知联合体也存在内存对齐)