详解C语言结构体,枚举,联合体的使用

目录

• 一、匿名结构体
• 二、结构体的自引用
• 1、声明时不要自己引用自己
• 2、结构体重命名时不能使用重命名
• 三、结构体内存对齐规则
• 1、结构体内存计算
• 2、结构体嵌套
• 3、通过调整结构体成员顺序，压缩内存
• 四、存在内存对齐的原因
• 五、修改默认对齐数
• 六、结构体传参
• 七、位段
• 1、位段在内存中的存储
• 2、位段的跨平台问题
• 八、枚举
• 1、枚举的定义
• 2、枚举的优点
• 九、联合体（共用体）
• 1、联合体大小的计算
• 2、使用联合体判断计算机的大小端字节序

一、匿名结构体

struct
{
    char name[20];
    int age;
}s1;

匿名结构体对象s1过了这一行即销毁。

二、结构体的自引用

1、声明时不要自己引用自己

struct Node
{
 int data;
 struct Node next;//错误的，严禁自己引用自己
};

struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;//正确的引用方式
};

2、结构体重命名时不能使用重命名

typedef struct
{
 int data;
 Node* next;//错误的，不要再重命名中使用重命名
}Node;

typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;//正确的
}Node;

博主在学数据结构的时候踩过这个坑，在结构体重命名的时候成员变量的类型就使用了重命名，导致整个程序不认识这个成员变量的类型（但是vs在typedef这里不报错，而是在每个使用这个类型的地方报错！！！）。后来把这个成员变量的类型修改为重命名之前的类型，整个程序就可以运行了。（如上图的正确写法）

三、结构体内存对齐规则

第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

后续成员变量要放到各自的对齐数的倍数上。对齐数 = 编译器默认对齐数与该成员类型大小的较小值。（vs中默认对齐数是8，gcc没有默认对齐数）

结构体最终大小为最大对齐数的整数倍。

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。

1、结构体内存计算

struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S1));
    return 0;
}

char c1在结构体变量的零偏移量处分配内存

int i的对齐数为4，所以跳过3个字节，在4的整数倍地址处分配内存

char c2的对齐数为1，使用下一个字节空间即可

目前已使用9字节

由于该结构体中所有成员变量中最大的成员类型大小为4字节，所以最大内存对齐数为4字节，结构体总大小为最大对齐数的整数倍。所以该结构体内存为12字节。

可以使用宏offsetof来观察结构体成员在内存中的偏移量：

2、结构体嵌套

struct S3//16
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
struct S4//32
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};

char c1在结构体变量的零偏移量处分配内存

struct S3 s3按照其最大内存对齐数(此处为8)进行对齐

double d按照其最大内存对齐数(8)进行对齐

S4的最大内存对齐数为8，所以结构体的最终大小为32

3、通过调整结构体成员顺序，压缩内存

通过上述例子可以发现，结构体成员之间有很大的空间浪费，哪怕是拥有相同结构体成员的两个结构体类型，其在内存中所占据的空间也不相同，所以为了空间的节省，在不影响数据结构的情况下，有目的的把字节占用小的成员变量放在一起，达到节省空间的目的。

四、存在内存对齐的原因

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（空间换时间）

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。

五、修改默认对齐数

#pragma pack(2)//把默认对齐数改成2
struct S
{
    char c1;
    int i;
    short c2;
};
#pragma pack()//恢复默认对齐数为8
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S));
    return 0;
}
#pragma pack(num)修改默认对齐数，该结构体的内存大小由12字节降低为8字节。

默认对齐数尽量为2的次方。

六、结构体传参

结构体传参要传地址。

传址调用优于传值调用的原因是地址占4/8个字节。

但是传值调用参数需要压栈，当结构体过大时，参数压栈的系统开销较大。

七、位段

位段是在结构体中实现的。

位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int或者是char类型

位段的空间增长方式为每次增长4个字节（int）或1个字节（char）

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。

1、位段在内存中的存储

1.1位段中char类型的存储方式（vs中舍弃剩余空间）

struct S//占用3个字节
{
    char _a : 3;
    char _b : 4;
    char _c : 5;
    char _d : 4;
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S));
    struct S s= { 0 };
    s._a = 10;//1010，截断为010
    s._b = 12;//1100
    s._c = 3;//0011
    s._d = 4;//0100
    return 0;
}

通过调用内存发现，&s中存储的16进制数字为62 03 04，那么可以发现s在内存中的存储方式如下图:

在vs环境中，char成员变量在单个字节中是倒着存储的（有截断先发生截断），当该字节中剩余的比特位不足以存放下一个完整的成员变量时，会将剩余的比特位舍弃。

1.2位段中int类型的存储方式（vs中利用剩余空间）

struct A//占4个字节
{
    int a : 2;
    int b : 3;
    int c : 4;
};
int main()
{
    struct A s = { 0 };
    s.a = 12;//1100，截断为00
    s.b = 13;//1101，截断为101
    s.c = 14;//1110
    return 0;
}

通过调用内存发现，&s中存储的16进制数字为d4 01 00 00，那么可以发现s在内存中的存储方式如下图:

在vs环境中，int成员变量在单个字节中是倒着存储的（有截断先发生截断），当该字节中剩余的比特位不足以存放下一个完整的成员变量时，会将继续存储，存不下的二进制位将存放至下一个字节的右侧。

注意：位段冒号后面的数字只能小于等于类型大小（例如char a:9是错误的）

2、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。

八、枚举

1、枚举的定义

enum color
{
    RED,//枚举常量
    BLUE,
    YELLOW
};

不赋值那么默认从0开始，后续枚举成员的值递增1

enum color
{
    RED=1,
    BLUE,
    YELLOW
};

只需要对第一个成员进行赋值，后续枚举成员的值递增1

在写枚举成员的时候建议全大写，博主在写通讯录枚举了exit，使用时vs提示该命名和exit函数冲突。

2、枚举的优点

增加代码的可读性和可维护性

枚举使用时有类型检查，#define定义的标识符没有

防止了命名污染（封装）

便于调试（#define定义宏在预处理时是直接替换）

使用方便，一次可以定义多个常量

九、联合体（共用体）

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，特征是这些成员共用同一块空间（所以联合也叫共用体）。

1、联合体大小的计算

#include <stdio.h>
union un
{
    char arr[5];
    int a;
}u;
int main()
{
    printf("%d", sizeof(u));//8
    return 0;
}

联合体的大小至少是最大成员的大小。

最大内存对齐数的整数倍要大于等于最大成员的大小。

（这里最大成员是arr，占5个字节，最大内存对齐数是4，所以需要为祖国联合体开辟8个字节空间）

2、使用联合体判断计算机的大小端字节序

#include <stdio.h>
union un
{
    int m;
    char n;
}u;
int check_sys()
{
    u.m = 1;
    return u.n;
}

int main()
{
    int a = check_sys();
    if (a == 1)
        printf("小端存储\n");
    else
        printf("大端存储\n");
    return 0;
}

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