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详解C语言中的自定义类型

作者:C.C

这篇文章主要为大家详细介绍了C语言中的四大自定义类型(结构体、位段、枚举和联合)的相关知识,文中的示例代码简洁易懂,需要的可以参考一下

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

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

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:

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

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:

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

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

以上就是详解C语言中的自定义类型的详细内容,更多关于C语言自定义类型的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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