自定义类型：结构体、枚举和联合体
文章说明：该文章的知识点源于B站上比特鹏哥的C语言课程，结合鹏哥上课的讲义、课堂代码以及自己的理解整理形成。
1. 结构体
1.1 结构体的基础知识
结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。
数组是一组相同类型（可以是结构体）的元素的集合。
结构体也是一些值的集合，结构的每个成员可以是不同类型。
1.2 结构体的声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
//struct tag 结构体类型名 -> 用于创建变量
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
在声明结构的时候，可以不完全的声明（匿名结构体类型）：
//匿名结构体类型 -> 只能用一次
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
p = &x; //操作非法 - 因为编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，即使结构体里面的成员一模一样
1.3 结构的自引用
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员
//代码1
struct Node
{
int data;
struct Node next; //大小无法确定
};
上面的代码1不可行，结构体的成员不能包含结构体本身。使用指针能实现正确的自引用方式：
//代码2
struct Node
{
int data;
struct Node* next; //大小固定可算 4/8
};
//代码3
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？ -> 不行，首先得有结构体类型
//解决方案：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
1.4 结构体变量的定义和初始化
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
//初始化：定义变量的同时赋初值。
struct Point p3 = {x, y};
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
1.5 结构体内存对齐
结构体的对齐规则：
-
第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。
-
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。
对齐数 = 编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值。
VS中默认的值为8
-
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。
-
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。
//练习1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//1. 对齐数：1 4 1 -> 3. 最大对齐数：4
//2. 1000 2222 3000 -> 0表示浪费的空间，其他表示变量占用的空间，不同数字表示区分
//4. 输出结果：12
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//1. 对齐数：1 1 4 -> 3. 最大对齐数：4
//2. 1200 3333 -> 0表示浪费的空间，其他表示变量占用的空间，不同数字表示区分
//4. 输出结果：8
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//1. 对齐数：8 1 4 -> 3. 最大对齐数：8
//2. 1111 1111 2000 3333 -> 0表示浪费的空间，其他表示变量占用的空间，不同数字表示区分
//4. 输出结果：16
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
//1. 对齐数：1 8 8 -> 3. 最大对齐数：8
//2. 1000 0000 2222 2222 3000 4444 5555 5555 -> 0表示浪费的空间，其他表示变量占用的空间，不同数字表示区分
//4. 输出结果：32
内存对齐的原因：
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。
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：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，需要让占用空间小的成员尽量集中在一起。
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
S1和S2类型的成员一模一样，但是S1和S2所占空间的大小有了一些区别。
1.6 修改默认对齐数
结构在对齐方式不合适的时候，可以自己更改默认对齐数。
#pragma 可以改变我们的默认对齐数，可以限制最大对齐数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(8)//设置默认对齐数为8
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的默认对齐数，还原为默认
#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
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S1)); //输出结果：12
printf("%d\n", sizeof(struct S2)); //输出结果：6
return 0;
}
返回成员偏移量函数：offsetof
offsetof (type,member)
#include <stddef.h>
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%d\n", offsetof(struct S, c1)); //0
printf("%d\n", offsetof(struct S, i)); //4
printf("%d\n", offsetof(struct S, c2)); //8
return 0;
}
1.7 结构体传参
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
print1(s); //传结构体
print2(&s); //传地址
return 0;
}
注：首选print2函数。
函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的的系统开销比较大，所以会导致性能的下降。与此同时，传递结构体的地址能修改结构体的内容。
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。
2. 位段
位端的意义：和结构体相比更加节约空间。
2.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，有两个不同：
- 位段的成员必须是
charint、unsigned int或signed int。 - 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
struct A
{
//4个字节 - 32bit
int _a:2; //_a占2个bit
int _b:5; //_b占5个bit
int _c:10;//_c占10个bit
//4个字节 - 32bit
int _d:30;//_d占30个bit
//int _e : 50 //错误，因为4个字节最多有32位
};
//A就是一个位段类型
printf("%d\n", sizeof(struct A)); //8
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; //会被截断，因为a的位数太少
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的 -> 无法确定
//在VS的环境下，先使用低位的数据，再使用高位的数据；一块空间剩余的内容不够使用时，会被浪费掉。
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低到高分配，还是从高到低分配标准尚未定义。
- 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，但是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
网络IP数据包
TCP数据格式
3. 枚举
枚举：把可能的取值一一列举。
枚举类型是一种类型，不是整型 int，枚举类型的大小是 int，使用 sizeof 得到的值是4。
一周的星期一到星期日是有限的7天，可以一一列举。
性别有：男、女、保密，也可以一一列举。
月份有12个月，也可以一一列举。
3.1 枚举类型的定义
枚举里面的值用逗号隔开
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
};
枚举类型成员的值默认从0开始，一次递增1，当然在定义的时候也可以赋初值。
enum Color//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};
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 - 防止了命名污染（封装）
- 便于调试，
#define定义的符号在预编译阶段就被替换掉了 - 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。
//enum Color clr = 2 这么写不好
clr = 5; //ok??
4. 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)); //输出结果：4
4.2 联合的特点
联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？ -> 一样
printf("%d\n", &(un.i));
printf("%d\n", &(un.c));
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
//输出结果：11223355
面试题：判断当前计算机的大小端存储
int check_sys()
{
int a = 1;
if ((*(char*)&a) == 1)
{
return 1;//小端
}
else
{
return 0;//大端
}
}
//返回1 就是小端; 返回0 就是大端
int check_sys()
{
union U
{
char c;
int i;
}u;
u.i = 1;
return u.c;
}
int main()
{
int ret = check_sys();
if (ret == 1)
printf("小端\n");
else
printf("大端\n");
return 0;
}
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
5. 通讯录
contact.h文件
#pragma once
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX 10
#define MAX_TELE 12
#define MAX_ADDR 30
#define MAX 1000
#define DEFAULT_SZ 3
#define INC_SZ 2
//类型的定义
typedef struct PeoInfo
{
char name[MAX_NAME];
char sex[MAX_SEX];
int age;
char tele[MAX_TELE];
char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;
//通讯录-静态版本
//typedef struct Contact
//{
// PeoInfo data[MAX];//存放添加进来的人的信息
// int sz;//记录的是当前通讯录中有效信息的个数
//}Contact;
//动态版本
typedef struct Contact
{
PeoInfo *data;//指向动态申请的空间，用来存放联系人的信息
int sz;//记录的是当前通讯录中有效信息的个数
int capacity;//记录当前通讯录的最大容量
}Contact;
//初始化通讯录
void InitContact(Contact* pc);
//增加联系人
void AddContact(Contact* pc);
//打印联系人信息
void PrintContact(const Contact* pc);
//删除联系人的信息
void DelContact(Contact* pc);
//查找指定联系人
void SearchContact(Contact* pc);
//修改指定联系人
void ModifyContact(Contact* pc);
//销毁通讯录
void DestoryContact(Contact* pc);
//保存通讯录信息到文件
void SaveContact(Contact* pc);
//加载文件内容到通讯录
void LoadContact(Contact* pc);
//检测增容的问题
void CheckCapacity(Contact* pc);
contact.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "contact.h"
//静态版本的
//void InitContact(Contact* pc)
//{
// pc->sz = 0;
// //memset(); - 内存设置
// memset(pc->data, 0, sizeof(pc->data));
//}
//动态版本-初始化
void InitContact(Contact* pc)
{
pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ*sizeof(PeoInfo));
if (pc->data == NULL)
{
perror("InitContact");
return;
}
pc->sz = 0;//初始化后默认是0
pc->capacity = DEFAULT_SZ;
//加载文件
LoadContact(pc);
}
void DestoryContact(Contact* pc)
{
free(pc->data);
pc->data = NULL;
pc->sz = 0;
pc->capacity = 0;
}
void SaveContact(Contact* pc)
{
FILE* pf = fopen("contact.dat", "w");
if (pf == NULL)
{
perror("SaveContact");
return;
}
//写文件
int i = 0;
for (i = 0; i < pc->sz; i++)
{
fwrite(pc->data+i, sizeof(PeoInfo), 1, pf);
}
//关闭文件
fclose(pf);
pf = NULL;
}
void LoadContact(Contact* pc)
{
FILE* pf = fopen("contact.dat", "r");
if (pf == NULL)
{
perror("LoadContact");
return;
}
//读文件
PeoInfo tmp = { 0 };
while (fread(&tmp, sizeof(PeoInfo), 1, pf))
{
//是否需要增容
CheckCapacity(pc);
pc->data[pc->sz] = tmp;
pc->sz++;
}
//关闭文件
fclose(pf);
pf = NULL;
}
//
// 静态版本的-增加联系人
//void AddContact(Contact* pc)
//{
// if (pc->sz == MAX)
// {
// printf("通讯录已满，无法添加\n");
// return;
// }
// //增加一个人的信息
// printf("请输入名字:>");
// scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
// printf("请输入年龄:>");
// scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
// printf("请输入性别:>");
// scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
// printf("请输入电话:>");
// scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
// printf("请输入地址:>");
// scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);
//
// pc->sz++;
// printf("增加成功\n");
//}
void CheckCapacity(Contact* pc)
{
if (pc->sz == pc->capacity)
{
PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
if (ptr != NULL)
{
pc->data = ptr;
pc->capacity += INC_SZ;
printf("增容成功\n");
}
else
{
perror("AddContact");
printf("增加联系人失败\n");
return;
}
}
}
//动态版本- 增加联系人
void AddContact(Contact* pc)
{
//考虑增容
CheckCapacity(pc);
//增加一个人的信息
printf("请输入名字:>");
scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
printf("请输入年龄:>");
scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
printf("请输入性别:>");
scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
printf("请输入电话:>");
scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
printf("请输入地址:>");
scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);
pc->sz++;
printf("增加成功\n");
}
void PrintContact(const Contact* pc)
{
int i = 0;
//打印标题
printf("%-20s\t%-5s\t%-5s\t%-12s\t%-20s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
//打印数据
for (i = 0; i < pc->sz; i++)
{
printf("%-20s\t%-5d\t%-5s\t%-12s\t%-20s\n",
pc->data[i].name,
pc->data[i].age,
pc->data[i].sex,
pc->data[i].tele,
pc->data[i].addr);
}
}
static int FindByName(Contact* pc, char name[])
{
int i = 0;
for (i = 0; i < pc->sz; i++)
{
if (strcmp(pc->data[i].name, name) == 0)
{
return i;
}
}
return -1;//找不到
}
void DelContact(Contact* pc)
{
char name[MAX_NAME] = {0};
if (pc->sz == 0)
{
printf("通讯录为空，无需删除\n");
return;
}
printf("请输入要删除人的名字:>");
scanf("%s", name);
//1. 查找要删除的人
//有/没有
int pos = FindByName(pc, name);
if (pos == -1)
{
printf("要删除的人不存在\n");
return;
}
//2. 删除
int i = 0;
for (i = pos; i < pc->sz-1; i++)
{
pc->data[i] = pc->data[i + 1];
}
pc->sz--;
printf("删除成功\n");
}
void SearchContact(Contact* pc)
{
char name[MAX_NAME] = { 0 };
printf("请输入要查找人的名字:>");
scanf("%s", name);
int pos = FindByName(pc, name);
if (pos == -1)
{
printf("要查找的人不存在\n");
return;
}
else
{
printf("%-20s\t%-5s\t%-5s\t%-12s\t%-20s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
//打印数据
printf("%-20s\t%-5d\t%-5s\t%-12s\t%-20s\n",
pc->data[pos].name,
pc->data[pos].age,
pc->data[pos].sex,
pc->data[pos].tele,
pc->data[pos].addr);
}
}
void ModifyContact(Contact* pc)
{
char name[MAX_NAME] = { 0 };
printf("请输入要修改人的名字:>");
scanf("%s", name);
int pos = FindByName(pc, name);
if (pos == -1)
{
printf("要修改的人不存在\n");
return;
}
else
{
printf("请输入名字:>");
scanf("%s", pc->data[pos].name);
printf("请输入年龄:>");
scanf("%d", &(pc->data[pos].age));
printf("请输入性别:>");
scanf("%s", pc->data[pos].sex);
printf("请输入电话:>");
scanf("%s", pc->data[pos].tele);
printf("请输入地址:>");
scanf("%s", pc->data[pos].addr);
printf("修改成功\n");
}
}
test.c文件
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
//通讯录-静态版本
//1.通讯录中能够存放1000个人的信息
//每个人的信息：
//名字+年龄+性别+电话+地址
//2. 增加人的信息
//3. 删除指定人的信息
//4. 修改指定人的信息
//5. 查找指定人的信息
//6. 排序通讯录的信息
//
//版本2：
//动态增长的版本
//1>通讯录初始化后，能存放3个人的信息
//2>当我们空间的存放满的时候，我们增加2个信息
//3+2+2+2+...
//
//
//版本3
//当通讯录退出的时候，把信息写到文件
//当通讯录初始化的时候，加载文件的信息到通讯录中
#include "contact.h"
void menu()
{
printf("********************************\n");
printf("****** 1. add 2. del ******\n");
printf("****** 3. search 4. modify*****\n");
printf("****** 5. sort 6. print *****\n");
printf("****** 0. exit *****\n");
printf("********************************\n");
}
enum Option
{
EXIT,
ADD,
DEL,
SEARCH,
MODIFY,
SORT,
PRINT
};
int main()
{
int input = 0;
//创建通讯录
Contact con;//通讯录
//初始化通讯录
//给data申请一块连续的空间在堆区上
//sz=0
//capacity 初始化为当前的最大的容量
InitContact(&con);
do
{
menu();
printf("请选择:>");
scanf("%d", &input);
switch (input)
{
case ADD:
//增加人的信息
AddContact(&con);
break;
case DEL:
//删除
DelContact(&con);
break;
case SEARCH:
SearchContact(&con);
break;
case MODIFY:
ModifyContact(&con);
break;
case SORT:
//自己完善
break;
case PRINT:
PrintContact(&con);
break;
case EXIT:
//保存信息到文件
SaveContact(&con);
//销毁通讯录
DestoryContact(&con);
printf("退出通讯录\n");
break;
default:
printf("选择错误,重新选择\n");
break;
}
} while (input);
return 0;
}