C语言进阶——自定义类型

🌳前言

C语言中的数据类型可以分为两种：简单数据类型和复杂数据类型，简单数据类型就是我们经常用到的整型(int)、实型(float)、字符型(char)等，复杂数据类型中有结构体(struct)、位段(struct)、枚举(enum)和联合体(union)这几种。

  简单数据类型负责存储简单的数据；而复杂数据类型则适用于复杂对象的描述，比如我们学生的信息、图书的信息等。使用复杂数据类型(即自定义类型)能很好的进行数据存储与访问，所以还在等什么呢？让我们一起进入更深层次的数据世界吧！

小小精灵球中蕴含的复杂类型

🌳正文 

  在本篇文章中，我将会给大家介绍几种自定义类型：结构体、位段、枚举、联合体。其中结构体的内容最为丰富，也比较难。剩下几个用的都比较少，但也都很有趣，值得学习一下。

🌲一、结构体

🌱1.定义

  结构体是一种特殊数据类型，可以用来描述复杂对象，用户可以自定义其中的变量类型，比如定义一个用来储存学生信息的结构体 stu，其中的成员变量就包含有姓名、性别、年龄、学号等信息，且信息类型可以不一样，这就打破了单一数组存储类型固定的限制。

🌱2.声明

  结构体由必要的三部分组成：类型关键字 struct、结构体标签 tag、主体 { };  即 struct tag { }; 当然结构体标签可以省略，此时称为匿名结构体（后面会介绍）

此时一个结构体数据就声明完成了，可以对其进行使用(初始化、调用等) 

注意：

• 1.结构体定义时，关键字 struct 和结构体 { }; 不能少
• 2.结构体标签 tag 可以省略，但使用起来不方便
• 3.切记最后的分号 ; 不能丢

🌱3.特殊声明

  特殊声明相较于普通说明少了标签部分，即结构体标签 tag，此时的结构体就是上面提到的匿名结构体，匿名结构体使用场景有限，并且只能创建全局性的结构体变量。

  匿名结构体只能使用已经创建好的结构体全局变量，当同时出现两个匿名结构体时，编译器会认为这是两个类型不同匿名结构体，对它们进行操作会引发警告。

//匿名结构体1
struct
{
	//此时省略了结构体标签，为匿名结构体
	char a;//成员变量1
	int b;//成员变量2
	float c;//成员变量3
}test1;//只能创建分号前的全局结构体变量

//匿名结构体2
struct
{
	//此时省略了结构体标签，为匿名结构体
	char a;//成员变量1
	int b;//成员变量2
	float c;//成员变量3
}test2 = {'A',98,9.8f},*p2;//只能在这里进行初始化

int main()
{
	p2 = &test1;//引发了报错
	return 0;
}

注意：

• 1.匿名结构体只能创建全局性的结构体变量
• 2.全局性的结构体变量创建好后，只能紧接着对其初始化，无法在调用环境中初始化
• 3.当出现多个匿名结构体时，编译器会认为是不同的类型，强行使用会引发警告

🌱4.自引用

自引用是指在结构体中能找到一个和自己类型相同的成员，有点像递归，但两者本质上不是一个东西。结构体自引用出现于链表中，比如单链表中有一个 data 数据域和一个 next 指针域，其中的成员变量 next 的类型是结构体指针，此行为就是自引用。

//结构体自引用
//链表中用到了自引用
struct SList
{
	int data[10];//数据域
	struct SList* next;//指针域
};
int main()
{
	struct SList s2 = { {6,7,8,9,10},NULL };
	struct SList s1 = { {1,2,3,4,5},&s2 };
	printf("%d %d\n", s1.data[0], s1.next->data[0]);//模拟实现链表
	return 0;
}

结构体自引用是链表实现的必须项，理解透彻了，链表学起来就会很容易 

注意：

• 1.自引用时，其中的某个成员变量名必须和结构体类型相同，关键字、标签名、指针一样都不能少
• 2.使用自引用时，各变量首尾链接关系要理清

🌱5.变量的定义和初始化

定义和初始化有两种方式，在结构体声明后和使用前，前者所创建的结构体变量具有全局属性，后者就只是一个普通的局部变量，结构体支持嵌套定义和指定元素初始化。

🪴声明后初始化：

🪴使用前初始化：

当然结构体初始化还有更多玩法，比如下面的指定成员初始化：

🪴嵌套定义：

注意：

• 1.全局变量默认初始化为0，局部变量为随机值
• 2.当对局部变量进行指定成员初始化时，其他成员会初始化为0
• 3.结构体嵌套定义时，初始化子字符串需要再次进行访问 

🌱6.内存对齐

  内存对齐是个很有意思的东西，为了方便数据读取，设计出了这么个东西。内存对齐规则很多，但好处也很多，是近年热门的考点，所以内存对齐值得我们花时间去学习。

图片来源：百度百科

  简言之，内存对齐就是使结构体中的数据在内存中的存储更有规律，方便读取数据。下面是一个关于内存对齐的实际例子，按照常理来说，此结构体所占空间应为13字节，但事实真如此吗？

//内存对齐
#include<stddef.h>//offsetof的头文件
struct test
{
	//偏移量就是距离结构体首位置的距离
	//单位是字节
	int a;//偏移量 0
	char b;//偏移量 4
	double c;//偏移量 8
};
int main()
{
    //offsetof 是一个宏，可以用来计算偏移量
	printf("%d\n", offsetof(struct test, a));//计算偏移量的函数
	printf("%d\n", offsetof(struct test, b));
	printf("%d\n", offsetof(struct test, c));
	printf("%d\n", sizeof(struct test));//结构体大小最终为 16 字节
	return 0;
}

  显然，最终结果不是我们预想的13字节，而是更大的16字节，编译器为什么会有这种浪费空间的行为呢？还是那句话，为了方便数据的读取。

  比如在有对齐环境下，先存入一个char型数据，偏移量0，再存入一个int型数据，偏移量为4，当程序读取数据，只需要读取两次，第一次完全读取char，第二次完全读取int，只需要两次就能清楚的读到数据，且不会有额外的操作。   如果没有内存对齐，那么第一个char偏移量为0，第二个int偏移量为1，当第一次读取char时，会误读到int的部分数据，此时会进行额外操作，同样的第二次读取int也需要进行额外读取，这样是非常浪费时间的。

所以诞生了内存对齐这种奇妙规则：用空间换时间，提高程序运行效率。

图片来源：百度百科

内存对齐的规则：

• 1.结构体中的第一个成员，对齐至结构体起始位置的0偏移处
• 2.从第二个成员开始，要对齐至某个对齐数整数倍的偏移处（对齐数：结构体成员自身大小和默认对齐数的较小值，VS中默认对齐数为8字节，Linux中没有设置默认对齐数）
• 3.结构体的总大小必须是最大对齐数的整数倍，最大对齐数就是结构体成员中对齐数的最大值
• 4.如果是结构体嵌套的情况，则嵌套的结构体要对齐到自己的最大对齐数整数倍处，此时结构体的整体大小就是所有对齐数（包括嵌套的结构体）中最大对齐数的整数倍

内存优化方案：创建成员变量时，尽量把占用空间小的成员集中在一起。

🌱7.修改默认对齐数

  VS中的默认对齐数是8字节，Linux中没有规定默认对齐数，当然我们可以通过特殊手段修改默认对齐数，让数据在内存中不对齐，结构体大小计算更简单（不推荐这样玩）。

  内存对齐这个规则并不是定死的，我们可以通过 pragma 来修改默认对齐数，如果把对齐数修改为1，这样相当于直接没有对齐，空间是省下来了，但效率却下降了。

我们借用上一题举例，修改默认对齐数为1字节。

//修改默认对齐数
#pragma pack(1)//修改默认对齐数为1字节
#include<stddef.h>//offsetof的头文件
struct test
{
	//偏移量就是距离结构体首位置的距离
	//单位是字节
	int a;//偏移量 0
	char b;//偏移量 4
	double c;//偏移量 8
};
#pragma pack()//恢复默认对齐数
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct test, a));//计算偏移量的函数
	printf("%d\n", offsetof(struct test, b));
	printf("%d\n", offsetof(struct test, c));
	printf("%d\n", sizeof(struct test));//结构体大小最终为 16 字节
	return 0;
}

可以看到，结果为我们预想中的13字节，从侧面说明内存对齐是真实存在的。

注意：

• 1.一般情况下不要修改默认对齐数，避免破坏代码的可移植性
• 2.当结构在对齐方式不合适的时候，我么可以自己更改默认对齐数。
• 3.修改完默认对齐数后，记得改回来

🌱8.结构体传参

  结构体传参有两种方式：传值与传址，传值不会对原数据造成影响，但会申请一块同样大的空间；传址能间接修改原数据，且只占一个指针大小的空间。虽说结构体名是结构体首元素地址，但在接收时是以一级指针接收的，相当于接收了个变量值，因此最好是传递 &结构体名 (即传递结构体指针变量)，指针毕竟只需要 4/8 字节空间，拥有传值的功效，且不像传值那样临时拷贝所有数据，造成空间的浪费。

//结构体传参
struct test
{
	int arr[1000];//大小为1000，比较大
	int num;//成员变量2
};
void print1(struct test T1)
{
	printf("%d\n", T1.num);//打印第二个成员变量的值
}
void print2(struct test* T1)
{
	printf("%d\n", T1->num);//打印第二个成员变量的值
}
int main()
{
	struct test t1 = { .num = 1000 };//指定成员初始化
	print1(t1);//传值，会产生一份临时拷贝赋给T1
	print2(&t1);//传址，直接把结构体地址赋给T1
	return 0;
}

注意：

• 1.结构体传参，首选址传递，节省空间、简洁高效
• 2.如果执意选择值传地址，参数压栈的开销会比较大，导致性能下降

🌲二、位段

🌱1.定义

  位段这个概念比较少见，因为位段这个东西本身不确定性就很多：比如可移植性差，最大位数不确定等，因此用的比较少，但如果是在固定环境下频繁使用的代码，位段就是一个非常厉害的工具，它能控制变量所占字节数，最大限度的节省空间。

🌱2.声明

  位段的基本形式 struct tag { }; 与结构体一致，区别在于：

• 1.位段中的成员必须是整型家族(int、char)，因为位段按4字节或1字节进行空间开辟
• 2.位段成员后面要有冒号 : 和数字，冒号表示这是一个位段成员，数字表示此成员占用的空间(单位是比特)

//位段
struct test1
{
	int _a : 5;
	int _b : 15;
	int _c : 30;
};

struct test2
{
	int a;
	int b;
	int c;
};
int main()
{
	printf("有位段->%d\n", sizeof(struct test1));
	printf("无位段->%d\n", sizeof(struct test2));
	return 0;
}

🌱3.内存分配

当我们了解完位段的基本结构后是否好奇它在内存中的存储方式呢？ 

位段的内存分配

🌱4.实际运用

  位段的使用场景比较有限，但如果用好了就是一件利器，能很好的节省空间，使数据传输更高效，没错，在网络数据传输中就用到了位段。

  如图所示，前五行每行占4字节大小的空间，不同的地方需要存入不同的数据，此时利用位段最大化利用空间，只需要使用区区20字节的空间就能装下关键信息，大大提高了数据传输的效率。

🌱5.注意

注意（位段的跨平台问题）：

• 1.关于 int 是否带符号是不确定的
• 2.位段中能存放的最大字节数是不确定的
• 3.位段中的空间内存分配给成员时，是从左向右分配还是从右向左分配是不确定的
• 4.当位段存储数据时，剩余空间是否利用是不确定的
• 5.位段中也存在内存对齐，但仅仅是针对整体的对齐，即位段大小要为其中最大对齐数的整数倍

🌲三、枚举

🌱1.定义

  枚举即一一列举，枚举一般称为枚举常量，枚举的形式跟结构体类似，即 enum tag { }; 值得一提的是，枚举中的成员变量定义时，不是以分号 ; 结尾的，而是以逗号 , 区分，并且最后一个枚举成员不用加任何符号，关于枚举常量的大小（标准未定义），在VS中是4字节。

🌱2.声明

下面是枚举类型的声明，其中的成员变量可以自由定义，当然也可以赋初值

🌱3.实际运用

枚举常量可以和 switch 配合使用，用来优化部分逻辑，比如下面这个逻辑菜单：

//枚举运用
enum test
{
	//利用枚举定义五个通道
	EXIT,
	ADD,
	SUB,
	MUL,
	DIV
}s;
int main()
{
	int input = 1;
	while (input)
	{
		scanf("%d", &input);
		//利用枚举常量配合case通道
		switch (input)
		{
		case EXIT:
			printf("退出程序!\n");
			break;
		case ADD:
			printf("加法\n");
			break;
		case SUB:
			printf("减法\n");
			break;
		case MUL:
			printf("乘法\n");
			break;
		case DIV:
			printf("除法\n");
			break;
		default:
			break;
		}
	}
	return 0;
}

当然这只是枚举的基本用法，关于枚举的高阶用法需要代码量的积累，也就是靠自己悟。

🌱4.注意

枚举的优点：

• 1.提高程序的可读性和可维护性
• 2.有类型检查，比较严谨
• 3.防止命名污染，因为枚举常量已封装
• 4.便于调试（#define定义的标识符常量在预编译阶段会被替换）
• 5.使用方便，可以自由定义多个变量

🌲四、联合体

🌱1.定义

  联合体有点像结构体的对立面，为什么这么说呢？因为结构体会追求成员变量的对齐，而联合体不会;结构体可以同时使用多个成员变量，联合体一次只能用一个。由此可知，联合体中的成员变量共用一块内存空间，比如其中定义了一个字符型和一个整型，最终联合体的大小为4字节(一个整型大小)，联合体中也有内存对齐，不过不像结构体那样严格，联合体在进行内存对齐时，会判断此时所占字节数是否为其中最大对齐数的倍数，如果不是，就会自动对齐。

🌱2.声明

老样子，形式跟结构体差不多，为 union tag { }; 内部的成员变量会共用一块空间 

🌱3.妙用解题 

  数据在内存有两种存储方式：小端字节序储存和大端字节序存储，小端看着是反的，大端看着是正的，这也就是为什么有时候通过内存调试，发现数据与预想不一样的原因（因为是按小端字节序储存的），我们可以自己程序来判断当前机器的大小端，普通的解法以前已经介绍过了，如今我们可以利用联合体巧妙判断大小端。

这种解法是非常妙的，揉合了各种知识点，是一段高级的代码。 

//联合体判断大小端
int check_sys(void)
{
	union test
	{
		int i;
		char c;
	}t;
	t.i = 1;
	return t.c;
}
int main()
{
	int ret = check_sys();
	if (1 == ret)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

🌱4.注意

• 1.联合体的大小至少是最大成员的大小。
• 2.联合体中也存在内存对齐，同样是只针对整个联合体的内存对齐，要使整个联合体所占字节数为最大成员对齐数的倍数。

🌳总结

  以上就是自定义类型的全部内容了，除了结构体其他几个都比较少见，因此我们对结构体的多个方面都进行了剖析；但正因为其他的少见，属于偏底层的知识，所以我们才需要去学习，增加内功，拉开与其他人之间的距离。 总之，自定义类型可以用来描述复杂对象，实现更高级的数据存储以及较复杂的程序实现，比如我们耳熟能详的C语言课设系列（通讯录、职工工资管理系统等），其中就必须使得自定义类型，其实都不难，只要好好学习就能乘风破浪！