详解C语言中的自定义类型
作者:C.C
一. 结构体
1.1 什么是结构体
结构体: 结构体是一些值的集合,这些值被称为成员变量,结构体中的成员变量可以是不同类型的变量
1.2 结构体的声明
struct tag //结构体名 { member-list; //成员列表 }variable-list; //结构体变量列表
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 }; //分号不能丢
1.3 特殊的声明
在声明结构体时,可以不完全的声明,即结构体名可以省略,这种结构体一般被称为匿名结构体,只能使用一次
//匿名结构体类型 struct { int a; char b; float c; }x; struct { int a; char b; float c; }a[20], *p;
上面两个结构体在声明时都省略了结构体标签(结构体名),那么问题来了,p=&x,这句话对嘛?
即使两个结构体没有名字,并且里面的成员变量完全相同,但编译器也会认为这是两个不同的结构体,所以这种写法是错误的
1.4 结构体的自引用
结构体的自引用: 结构体的自引用就是结构体里面又包含了本身
//代码1 struct Node { int data; struct Node next; }; //可行否? //如果可以,那sizeof(struct Node)是多少?
上述这种方式是错误的,因为我们在计算sizeof(struct Node)结构体里面又包含了自己,所以就会无限套娃,算不出来一个答案,正确的定义如下:
//代码2 struct Node { int data; struct Node* next; };
要将里面包含的结构体定义为结构体指针的形式,这样我们通过next的地址,就能很好的找到另一个结构体在内存中的位置
注意:
//代码3 typedef struct { int data; Node* next; }Node; //这样写代码,可行否?
这样写代码是错误的,因为在使用typedef时我们要对struct这个匿名结构体类型重命名,但在命名过程中遇到了Node*,编译器就会报错说之前没有见过Node这种类型,所以我们在用typedef时不要使用匿名结构体去重命名,这就类似于先有鸡还是先有蛋的问题,正确代码如下
//解决方案: typedef struct Node { int data; struct Node* next; }Node;
一定要用完整的结构体声明方式去声明,才能用typedef重命名
1.5 结构体变量的定义和初始化
有了结构体,那么我们如何定义一个结构体变量并且为它初始化呢?
1.5.1 结构体变量的定义
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
如上:有两种方式定义结构体变量
- 在声明类型的同时定义结构体变量,如上p1,p1属于全局变量
- 利用结构体类型定义结构体变量,如上p2,p2属于局部变量
1.5.2 结构体变量的初始化
//初始化:定义变量的同时赋初值。 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
结构体变量的初始化也是两种方式
- 在定义结构体变量时初始化,如上图 s
- 结构体嵌套初始化,如上图n1,n2
1.6 结构体内存对齐
上面我们知道了结构体如何定义,声明,初始化,那么结构体成员变量在内存中是如何存储的?我们如何去计算一个结构体在内存中占用的字节数?
其实在计算结构体内存时有一定的对齐规则如下:
- 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
如何计算对齐数
对齐数 = 编译器默认的一个对齐数 与 该成员数据类型大小的较小值.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。
struct S2 { char c1; char c2; int i; }; printf("%d\n", sizeof(struct S2));
默认对齐数是8,c1是第一个直接放在偏移量为0的位置,从第二个c2开始,要计算他们的对齐数,对齐数=该成员大小和默认对齐数的最小值,即1和8的最小值,显然是1,所以c2应放在1的整数倍上即下标为1的地址上,变量i同理,变量i的实际大小为4与默认对齐数的最小值还是4,所以要放在下标为4的整数倍的位置,即下标为4的位置,如下图
所以整个结构体的大小为8个字节
还有一种情况是结构体里嵌套一个结构体
struct S3 { char c1; struct S2 s2; char d; }; printf("%d\n", sizeof(struct S3));
c1的大小是1个字节,和默认对齐数(8)的最小值还是1,上面我们计算过S2里面三个成员变量的对齐数,其中最大的是i,即4,和默认对齐数的最小值是4,char的大小是1,和默认对齐数的最小值是1,所以S3的结构体内存图如下
所以S3的结构体大小是13个字节
1.6.1 为什么存在内存对齐
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:==结构体空间对齐就是用空间换取时间的做法
1.7 修改默认对齐数
我们知道结构体内存的大小和默认对齐数有关,也和我们定义结构体成员变量的顺序有关,我们应将类型相同的变量定义在一起.这样可以使结构体所占内存尽可能小,同时也可以通过修改默认对齐数的方式
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
#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
如果觉得默认对齐数不合适时可以适当修改,但一般不轻易修改默认对齐数
1.8 结构体传参
结构体传参有两种方式
将一个结构体变量传过去
//结构体传参 void print1(struct S s) { printf("%d\n", s.num); } int main() { print1(s); //传结构体 return 0; }
传一个结构体指针
void print2(struct S* ps) { printf("%d\n", ps->num); } int main() { print2(&s); //传地址 return 0;
我们一般用第二种传地址的方式,因为参数在传递的过程中形参是实参的一份临时拷贝,形参也是要压栈的,直接传一个结构体变量所占的字节一般要比一个指针大的多,所以一般选择传地址
二. 位段
2.1 什么是位段
位段一般是通过结构体来实现的,位段的声明和结构体是类似的,有两个不同
1.位段的成员必须是 char,int,unsigned int 或signed int
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字
struct A { int _a:2; int _b:5; int _c:10; int _d:30; };
A就是一个位段类型,那么A占多少个字节呢
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。
//一个例子 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; //空间是如何开辟的
在VS的编译器上,会先配该数据类型对应的字节数,比如char a,先给a分配一个字节的大小,但a只占一个字节中的3个比特位,所以剩下5个比特位,b占4个比特位,剩下1个比特位不够c,因为c是char类型所以会在申请一个字节的大小,刚才剩下的一个比特位就被浪费掉了,新的一个字节c占五个字节,剩下三个字节不够d,就会在申请1个字节给d用
综上S的空间为3个字节
所以问题来了给s中的成员赋值时,会得到什么呢?
对于a来说10的二进制是00001010(char类型一个字节),但a中只能存储3位,所以会发生截断得到010,也就是10进制的2
其他的依次类推
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,并且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
因为位段比结构体更能用来节省空间,所以一般用在网络传输的数据报中,数据包中各部分都是用位段来规定大小的,因为数据报越小,在网络上传输速度就越快
三. 枚举
枚举顾名思义就是一 一列举
3.1 枚举类型的定义
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,也叫做枚举常量
这些可能取值都是有值的,默认从0开始,依次递增1,当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
enum Color//颜色 { RED=1, GREEN=2, BLUE=4 };
如果不给初值,默认从0开始递增,如果某一个有初始值,这个值以下的往下递增,以上的还是从0开始递增
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。
- 便于调试
- 使用方便,一次可以定义多个常量
3.3 枚举的使用
enum Color//颜色 { RED=1, GREEN=2, BLUE=4 }; enum Color clr = GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值,才不会出现类型的差异。 clr = 5;//这种C语言可以,但C++中不允许
四. 联合(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)
//联合类型的声明 union Un { char c; int i; }; //联合变量的定义 union Un un; //计算连个变量的大小 printf("%d\n", sizeof(un));//计算出来是 4
4.2 联合的特点
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)); //上述两个输出的是一样的 //下面输出的结果是什么? un.i = 0x11223344; un.c = 0x55; printf("%x\n", un.i);//0x55223344
联合在内存中相当于是
即char c共用int i的4个字节的地址
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 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));// 8 printf("%d\n", sizeof(union Un2));// 16
对于Un1,char c[5]的最大对齐数是1,int最大对齐数是4,所以该联合体最大对齐数是4,又因为c占5个字节,i占4个字节,所以至少要是5个字节,但还要是最大对齐数的整数倍所以只能是8
对于Un2,short c[7]的最大对齐数是2,int是4,所以该联合体的最大对齐数是4,又因为c占14个字节,i占4个字节,所以至少要是14个字节,但还要满足是最大对齐数的整数倍,所以是16
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