前言

隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深入，我們不再滿足于做簡單的計算題，想著做一些像樣的東西，如學(xué)生管理系統(tǒng)、酒店入住系統(tǒng)等等......而C語言提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型已經(jīng)不足以支撐我們的想法，于是便要學(xué)習(xí)自定義類型，根據(jù)自己的需求來創(chuàng)建類型。

結(jié)構(gòu)體

生活當(dāng)中有很多物品是不能簡單的用整型、浮點型、字符型來區(qū)分，它們常常是復(fù)雜的集合，比如人，一個人擁有年齡，身高、體重、學(xué)歷......等信息。我們可以用結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)準(zhǔn)確描述人這種復(fù)雜集合。

結(jié)構(gòu)體的基礎(chǔ)知識

結(jié)構(gòu)和數(shù)組的區(qū)別

結(jié)構(gòu)是一些值的集合，這些值稱為成員變量，每個成員變量可以是不同類型。而數(shù)組是同類型值得集合

結(jié)構(gòu)體的聲明

對于結(jié)構(gòu)體的聲明，需要有結(jié)構(gòu)體名、成員列表、變量列表（可省略）。

struct tag
{
	member_list;//成員列表
}variable_list;//變量列表

我們以描述一個學(xué)生為例。

struct student
{
	int id;//學(xué)號
	char name[20];//姓名
	char sex;//性別
	int age;//年齡
}s1,s2,s3;

結(jié)構(gòu)體的特殊聲明 

在聲明結(jié)構(gòu)體的時候，我們可以以不完全聲明（匿名結(jié)構(gòu)體類型），也就是省略掉結(jié)構(gòu)體的標(biāo)簽。

就像這樣：

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}d;

但這種聲明并不安全。

例如： 

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}d;
 
struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}*p;

我們令*p=&d 是非法的。因為編譯器會將這兩個聲明當(dāng)成完全不同的兩個類型。

結(jié)構(gòu)體的自引用

我們能不能結(jié)構(gòu)體套結(jié)構(gòu)體呢？

是可以的，比如我們描述一輛車的構(gòu)造，它的成員變量分別是車門、輪子、發(fā)動機、玻璃......等，而這些成員也是復(fù)雜的集合，比如車門的內(nèi)部也是復(fù)雜的，這就需要結(jié)構(gòu)體套結(jié)構(gòu)體。我們稱為結(jié)構(gòu)體的自引用。

那么怎么實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體自引用呢？

先看一段錯誤示范：

我們結(jié)構(gòu)體變量的創(chuàng)建，是要在結(jié)構(gòu)體變量聲明過后，這種寫法屬于是在這個結(jié)構(gòu)體類型還沒有創(chuàng)建完成的時候就使用了該類型的結(jié)構(gòu)體變量。

struct Node
{
	int data;
	struct  Node next;
};

正確示例：

將該類型的結(jié)構(gòu)體變量改成該類型的結(jié)構(gòu)體指針就能解決這一問題了~。

struct Node
{
	int data;
	struct  Node* next;
};

結(jié)構(gòu)體變量的定義和初始化

我們嘗試一下初始化上面的學(xué)生結(jié)構(gòu)體變量。

#include<stdio.h>
struct student
{
	int id;//學(xué)號
	char name[20];//姓名
	char sex;//性別
	int age;//年齡
}s1, s2, s3;
int main()
{
	s1 = { 1,"aa",'M',18 };
	printf("%d %s %c %d", s1.id, s1.name, s1.sex, s1.age);
}

是不是發(fā)現(xiàn)和數(shù)組的初始化差不多？ 定義一個結(jié)構(gòu)體變量和定義一個整型變量的方式差不多，這里就不列舉了。

結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊 

我們已經(jīng)掌握了結(jié)構(gòu)體的基本使用，現(xiàn)在我們進(jìn)入到下一個問題——結(jié)構(gòu)體的大小怎么計算？

猜想：結(jié)構(gòu)體的大小就是結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員大小加起來

還是以學(xué)生結(jié)構(gòu)體類型為例：

struct student
{
	int id;//學(xué)號
	char name[20];//姓名
	char sex;//性別
	int age;//年齡
}s1,s2,s3;

我們按照猜想一計算一下，計算出該結(jié)構(gòu)體類型大小為29個字節(jié)，事實果真如此？

用代碼驗證一下：

#include<stdio.h>
struct student
{
	int id;//學(xué)號
	char name[20];//姓名
	char sex;//性別
	int age;//年齡
}s1, s2, s3;
int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct student));
}

我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)果是32個字節(jié)，說明猜想一錯誤。

結(jié)構(gòu)體的對齊規(guī)則

一、第一個成員在于結(jié)構(gòu)體變量偏移量為0的地址處。

二、其他成員變量要對齊到某個數(shù)字（對齊數(shù)）的整數(shù)倍的地址處。（ps：對齊數(shù)=編譯器默認(rèn)的一個對齊數(shù)與改成員大小的較小值，vs編譯器的默認(rèn)對齊數(shù)為8）

三、結(jié)構(gòu)體總大小為最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。

四、如果是嵌套了結(jié)構(gòu)體的情況，嵌套的結(jié)構(gòu)體對齊到自己最大對齊數(shù)的整數(shù)倍處，結(jié)構(gòu)體整體大小就是所有最大對齊數(shù)（含嵌套結(jié)構(gòu)體的對齊數(shù)）的整數(shù)倍。

對結(jié)構(gòu)體對齊規(guī)則的解析

id變量便是學(xué)生結(jié)構(gòu)體變量的第一個成員，它對齊的位置應(yīng)該在于該結(jié)構(gòu)體變量的地址偏移量為0處，又因為id是int類型，占4個字節(jié)。

看圖，紅色所占空間就是id所占空間：

 第二個成員name變量每個元素所占大小為1個字節(jié)，與默認(rèn)值對齊數(shù)8個字節(jié)相比，1<8，所以name要對齊到1的整數(shù)倍數(shù)處，也就是4的位置，又因為name占20個字節(jié)，其所占空間如圖中綠色區(qū)域所示。

第三個成員sex，類型所占字節(jié)數(shù)為1，1<8同樣是對齊到1的整數(shù)倍處，且sex占一個字節(jié)，sex所占區(qū)域便是黃色位置。

第四個成員為age，為int類型，所占大小為4個字節(jié)，4<8，所以age要對齊到4的整數(shù)倍出，也就是28處，又因為它本身占4個字節(jié)，所以age所占空間便是藍(lán)色的區(qū)域。

 31位置到0位置，中間有32二個字節(jié)，這就是為什么student結(jié)構(gòu)體變量大小不是29個字節(jié)而是32個字節(jié)。

為什么存在內(nèi)存對齊

一是平臺原因：不是所有的硬件平臺都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)。某些硬件平臺只能在某些地址處取某些待定類型的數(shù)據(jù)，否則拋出硬件異常。

二是性能原因數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡可能的在自然邊界上對齊，原因在于，對于訪問未對齊的內(nèi)存，需要處理器訪問兩次內(nèi)存，而對齊的話訪問一次就行了。以空間換取了時間。

修改默認(rèn)對齊數(shù)

內(nèi)存對齊是空間換時間的辦法，那么我們能不能更進(jìn)一步，在特定情況下又省空間又省時間呢？修改默認(rèn)對齊數(shù)便是一種辦法。

修改默認(rèn)對齊數(shù)需要使用#pragma

#pragma pack（2）就是將默認(rèn)對齊數(shù)修改成了2，使結(jié)構(gòu)體的大小進(jìn)一步精簡。我們來看看效果圖（依然是一學(xué)生結(jié)構(gòu)體變量為例）

第一個成員id不變，依然是占紅色區(qū)域。

第二個成員name同樣不變，因為1個字節(jié)仍然小于2個字節(jié)，占綠色區(qū)域。

第三個成員sex還是沒變，原因與第二個相同，占黃色區(qū)域。

第四個成員age改變，2<4，age一個對齊至2的整數(shù)倍處，占藍(lán)色區(qū)域

 由圖我們可以發(fā)現(xiàn)，這次的學(xué)生結(jié)構(gòu)體類型大小只占了30個字節(jié)，縮短了兩個字節(jié)，我們用程序來驗證一下。

 驗證

和我們所設(shè)想的一樣。

 結(jié)構(gòu)體傳參

直接上代碼，print1使用的是傳值，print2使用的是傳址。那種方法更好呢？

#include<stdio.h>
struct A
{
	int data[1000];
	int num;
};
struct A a = { {1,2,3,4},666 };
void print1(struct A a)
{
	printf("%d\n", a.num);
}
void print2(struct A* a)
{
	printf("%d\n", a->num);
}
int main()
{
	print1(a);
	print2(&a);
	return 0;
}

print2的方法要優(yōu)于print1，對于print1，我們需要創(chuàng)建一塊內(nèi)存空間來接收傳過來的參數(shù)，是需要壓棧的，則在空間和時間上會有更多的系統(tǒng)開銷，如果傳遞的結(jié)構(gòu)體對象過大，會導(dǎo)致性能下降。但是對于print2的方法來說，不需要而外的開銷，使用的是之前的內(nèi)存，不需要新創(chuàng)建。

所以結(jié)構(gòu)體傳參的時候，要傳結(jié)構(gòu)體的地址。

位段

上面我們了解了基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)體知識，這里我們介紹一下結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)位段的能力。

什么是位段？

位段和結(jié)構(gòu)類似，但多了兩條限制。

一是位段的成員必須是int、unsigned int 或者是signed int，也可以出現(xiàn)char。

二是成員名字后面要出現(xiàn)冒號和數(shù)字。

例如：

struct A
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
};

這就是一個位段類型，冒號后面的數(shù)字是指該成員占多少個比特位，并且該數(shù)字不能超過限制范圍，位段空間的開辟是根據(jù)類型來開辟的。

位段A的大小是多少？

我們可以看見，位段A占8個字節(jié)。

#include<stdio.h>
struct A
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
};
int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct A));
	return 0;
}

如何算位段的大小呢？ 

猜想：是比特位數(shù)加起來/8，算出來字節(jié)數(shù)。

以位段A為例，位數(shù)和為47，按照猜想推算，一個占6個字節(jié)，但是結(jié)果是8，說明猜想錯誤

位段的內(nèi)存分配

對于位段A，先開辟4個字節(jié)（因為成分成員類型是int），將a，b，c的位數(shù)相加，得到17位，再將d的位數(shù)加上去，發(fā)現(xiàn)位數(shù)超過了開辟的空間，所以需要新開一個4個字節(jié)的空間（按照類型來開辟空間），這時能夠?qū)⑽欢蜛所有成員放進(jìn)開辟的內(nèi)存之中，所以是8個字節(jié)。

位段的缺點

位段不適用于需要跨平臺的程序。

一是int位段被當(dāng)成有符號數(shù)還是無符號數(shù)并沒有明文規(guī)定。

二是位段中最大為的數(shù)目不確定（16位的機器是16,32位的機器是32）。

三是位段中成員在內(nèi)存中從左向右分配，還是從右向左分配沒有明文規(guī)定。

四是當(dāng)一個結(jié)構(gòu)包含兩個位段，第二個位段成員比較大，無法容納與第一個位段剩余位的時候，是舍棄剩余的位還是利用，這是不確定的。

位段的意義

就是節(jié)約內(nèi)存，省空間，在緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠的時候有作用。

枚舉

枚舉類型的定義

直接看代碼吧。類型+標(biāo)簽+可能的情況。

enum sex
{
	MALE,
	FEMALE
};

 枚舉的優(yōu)點

一是增加代碼的可讀性和可維護性。

二是和#define定義的標(biāo)識符比較，枚舉有類型檢查，更加嚴(yán)謹(jǐn)。

三是防止了命名污染（封裝）。

四是便于調(diào)試。

五是方便使用，一次可以定義多個變量，提高編程效率。

六是可以將數(shù)字換成符號（例如switch語句中，將case后面的數(shù)字換成便于理解的字符） 

聯(lián)合（共用體）

聯(lián)合也是一種被特殊的自定義類型。

這種類型定義的變量也包含一系列的成員，特征是這些成員共用一塊空間（所以聯(lián)合也叫共用體）

聯(lián)合類型的定義

#include<stdio.h>
//聯(lián)合體的聲明
union un
{
	char c;
	int i;
};
//聯(lián)合體的定義
union un u;
int main()
{
	//計算聯(lián)合體的大小
	printf("%d", sizeof(u));
	return 0;
}

聯(lián)合體的特點 

聯(lián)合的成員是共用一塊內(nèi)存空間的，這樣一個聯(lián)合變量的大小，至少是最大成員的大小（因為聯(lián)合至少要有能力保障最大的那個成員）。

當(dāng)最大成員大小不是最大對齊數(shù)的整數(shù)倍時，就要對齊到最大對齊數(shù)的整數(shù)倍。

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