本章重点
结构体

• 结构体类型的声明
• 结构的自引用
• 结构体变量的定义和初始化
• 结构体内存对齐
• 结构体传参
• 结构体实现位段（位段的填充&可移植性）

枚举

• 枚举类型的定义
• 枚举的优点
• 枚举的使用

联合

• 联合类型的定义
• 联合的特点
• 联合大小的计算

目录

一.结构体 

1.结构体类型的声明

2.结构体变量的定义和初始化

3.结构体内存对齐

4.结构体传参 

 5.结构体实现位段

二.枚举

三.联合

一.结构体 

1.结构体类型的声明

结构是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量

结构的声明

struct tag
{
member-list;
}variable-list;

（注：tag是结构体标签） 

 比如使用结构体描述一个学生

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

 不完全的声明

//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;

 上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）

那么问题来了

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;

 不合法

警告：
编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型。
所以是非法的
 

结构体的自引用

 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

//代码1
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};

注意：这是错误的

设想一下，如果可以，那sizeof(struct Node)是多少？

正确的自引用方式：

//代码2
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};

还有一点需要补充

如果使用typedef

//代码3
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
//这样写代码，可行否？

 这是不可行的，因为在Node* next这行得到时候 还没有完成重命名

//解决方案：
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;

2.结构体变量的定义和初始化

有了结构体类型，那如何定义变量，其实很简单
 

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

3.结构体内存对齐

在掌握了结构体的基本使用方法之后，我们现在深入讨论一个问题：

计算结构体的大小

这也是一个非常热门的考点：结构体内存对齐

//练习1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));

 先来看一个代码

 答案是12，并不是我们所设想的6

这是为什么呢？

在探究之前我们需要了解一个宏：offsetof

它可以计算一个结构体成员相较于这个结构体的起始位置的偏移量

于是接下来我们利用offsetof计算一下每个结构体成员相较于结构体起始位置的偏移量

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

我们得到了每个成员的偏移量 

 我们试着画一下结构体内存的图

 我们发现：貌似在结构体的内存分布中，有一些区域是被“浪费”的

此时，我们引出 内存对齐 的概念

结构体内存对齐 

对齐数的概念： 

对齐数是成员自身大小和默认对齐数的较小值

VS环境有一个默认对齐数：8

Linux环境没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小 

 内存对齐

1. 结构体的第一个成员，存放在结构体变量开始位置的0偏移处
2. 从第二个成员开始，都要对齐到对齐数的整数倍的地址处
3. 结构体的总大小，必须是最大对齐数的整数倍 ，最大对齐数是指虽有成员的对齐数中最大的那个数
4. 如果是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

    

下面我们在学习了结构体内存对齐的知识后，再来看一看这个代码

 是不是就明白了呢

之后我们再看一个代码来练习一下

struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

 这个结构体的大小是8字节

再看一个

struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

 这个结构体的大小是16字节

再来看一个嵌套的结构体

struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

在学习了内存对齐的有关知识过后，我们来探究一下：

为什么要有内存对齐？

大部分的参考资料都是如是说的：
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一次访问。

如：32位环境读取内存一次读取四个字节

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，如何做到：
让占用空间小的成员尽量集中在一起。

//例如：
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

修改默认对齐数

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
 

#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));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

4.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;
}

上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选print2函数
 

原因：
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。
结构体传参的时候，要传结构体的地址
 

 5.结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现 位段 的能力

首先，什么是位段？

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。 

定义：信息的存取一般以字节为单位。实际上，有时存储一个信息不必用一个或多个字节，例如，“真”或“假”用0或1表示，只需1位即可。在计算机用于过程控制、参数检测或数据通信领域时，控制信息往往只占一个字节中的一个或几个二进制位，常常在一个字节中放几个信息。

位段（或称“位域”，Bit field）为一种数据结构，可以把数据以位的形式紧凑的储存，并允许程序员对此结构的位进行操作。这种数据结构的好处：

• 可以使数据单元节省储存空间，当程序需要成千上万个数据单元时，这种方法就显得尤为重要。

• 位段可以很方便的访问一个整数值的部分内容从而可以简化程序源代码。

而位域这种数据结构的缺点在于，其内存分配与内存对齐的实现方式依赖于具体的机器和系统，在不同的平台可能有不同的结果，这导致了位段在本质上是不可移植的

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

• 1.位段的成员必须是 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。
   

比如

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};

A就是一个位段类型。
那位段A的大小是多少？
 

printf("%d\n", sizeof(struct A));

答案是 8

位段的内存分配

1. 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
2. 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。
3. 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

其实：

 这些数字 2，5，10，30表示它们所需要的bit（这些数字不能超过32），1byte=8bit

由于位段的空间需要以4个字节（ int ）或者1个字节（ char ）的方式来开辟

所以看到了int a,先开辟四字节的空间，也就是 4*8=32bit

a,b,c,d一共需要的是47bit ，超过了32bit，所以会再多开辟4字节的空间

所以struct A的大小是8字节 

再来看一个例子吧

//一个例子
struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};

 答案是3

我们再来分析一下

由于是char类型，首先开辟了1字节的空间，1字节是8bit，a和b用了7bit位，然后还剩1bit位

在vs编译环境下，剩下的这1个bit不会再用了，而是重新再开辟1字节的空间，所以最终的结果是3

再看下面的代码

//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？

通过这张图，我们便能够很直观地看出位段内存的分配 

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

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
 

二.枚举

枚举顾名思义就是一一列举。
把可能的取值一一列举。
比如我们现实生活中：
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
 

枚举类型是一种值由程序员列出（“枚举”）的类型，而且程序员必须为每个值命名（枚举常量）

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 枚举常量
 

 这些可能取值都是有值的，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

例如

enum Color//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};

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：

1.  增加代码的可读性和可维护性
2.  和#define定义的标识符比较枚举有类型检查，更加严谨。
3.  防止了命名污染（封装）
4.  便于调试
5.  使用方便，一次可以定义多个常量

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。

三.联合

 像结构一样，联合（union）也是由一个或多个成员构成的，而且这些成员可能具有不同的类型。

但是，编译器只为联合中的最大的成员分配足够的内存空间。联合的成员在这个空间内彼此覆盖。

这样的结果是，给一个成员赋予新值也会改变其他成员的值

为了说明联合的基本性质，现在声明一个联合变量u，且这个联合变量有两个成员

union {
		int i;
		double d;
	}u;

 注意，联合的声明方式非常类似于结构的声明方式

struct {
		int i;
		double d;
	}s;

  事实上，结构变量s和联合变量u只有一处不同：s的成员存储在不同的内存地址中，而u的成员存储在同一内存地址中。下面是s和u在内存中的存储情况（假设int类型的值要占用4个字节内存，而double类型的值要占用8个字节） 

 在结构变量s中，成员i和d占有不同的内存单元。s共占用了12个字节

在联合变量u中，成员i和d互相交迭，（i 实际上是d的前4个字节），所以u只用了8个字节，

此外i和d拥有相同的的地址

联合类型的定义

//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
//联合变量的定义
union Un un;

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));
//下面输出的结果是什么？
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);

 学会了联合体的使用，我们再来回顾一下曾经遇到过的一个题目 

判断当前计算机的大小端存储

首先，什么是大小端存储

把低位的值放在低地址处，这是小端存储模式

把低位的值放在高地址处，这是大端存储模式

 方法一：把a的地址强制转换成char* 只拿一个字节，看是0还是1

int cheak_sys()
{
	int a = 1;
	return (*(char*)&a);
}

int main()
{
	int ret = cheak_sys();
	if (1 == ret)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

方法二：联合

int cheak_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;
	return u.c;
}
int main()
{
	int ret = cheak_sys();
	if (1 == ret)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

 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));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));