C语言超详细讲解结构体与联合体的使用
作者：茂大师
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)
解释：
char类型数组先占用5字节，其对齐数为1字节（char），int i占用4字节与char类型数组公用同一块空间，其对齐数为4字节（int），该联合体所占5字节，但存在内存对齐，需为4字节的倍数，从而要浪费3字节空间使其为8字节。
以上便是关于结构体和联合体的全部内容 ！
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