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[C++知识库]C语言自定义类型：结构体，枚举，联合

以前学的int, float, char, short, double, 都为内置类型。但是描述人的时候，人有身高，体重，身份证号等多种信息，则就需要自定义类型。数组其实也属于自定义类型。接下来要讲述的三种自定义类型:结构体，枚举，联合.

结构体

1.1 结构的声明

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

member-list;是成员集合可以写很多个，variable-list是变量集合可以写也可以不写。

描述一个学生

struct Stu
{
	//学生的相关属性
	char name[20];
	int age;
};

struct Stu
{
	//学生的相关属性
	char name[20];
	int age;
} s1,s2;

int main()
{
	struct Stu s3;
	return 0;
}

s1,s2是全局变量,可以在全局范围内修改不安全。
s3是局部变量，只能在该函数内修改安全。

1.2特殊的声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

匿名结构体类型,只能使用一次

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

下面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
结构体变量x和结构体指针变量p的指向结构体成员类型一样，但p = &x;赋值时部分编译器会报错显示类型不匹配，显然没有把两个匿名结构体类型看成相同的。
a[20],定义的是*p类型相同,与x类型不同。

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

struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}a[20], * p;

int main()
{
	p = &x;
	return 0;
}

1.3结构的自引用

在后面数据结构的学习中，我们会学到链表结构，链表是一个结构体类型可以找到另一个结构体类型。在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

//ERR
struct Node
{
	int data;//4
	struct Node next;
};

int main()
{
	sizeof(struct Node);
	return 0;
}

该程序会报错，为什么呢？struct Node类型里面嵌套了个struct Node类型，如此往复无限嵌套下去，计算大小的时候是无法计算的。
所以用一个结构体找相同类型的结构体的时候不要用嵌套一个结构体类型。
正确的自引用方式是结构体内部定义一个结构体指针。

struct Node
{
	int data;//4
	struct Node* next;
};

但是在定义结构体指针我们需要注意下面问题

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

这个结构体内部的Node类型计算机不能识别到，因为它是在定义完结构体内部成员后再重命名，Node相当于匿名结构体类型。
正确简化结构体名字

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

1.4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，可分为创建结构体类型的同时定义结构体变量，还有一种是结构体类型定义完以后定义结构体变量。

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\

结构体的初始化，就是在定义的时候进行赋值。初始化的时候用{}来进行赋值。

struct Point
{
	int x;
	int y;
}p1 = {2,3};

struct score
{
	int n;
	char ch;
};

struct Stu
{
	char name[20];
	int age;
	struct score s;
};

int main()
{
	struct Point p2 = { 3,4 };
	struct Stu s1 = { "zhangsan", 20 , {100, 'q'}};//嵌套初始化
	printf("%s %d %d %c\n", s1.name, s1.age, s1.s.n, s1.s.ch);//输出
	return 0;
}

1.5结构体内存对齐

在计算结构体类型大小的时候结构体成员变量并不是全部紧密连在一起，是有结构体对齐的。
首先得掌握结构体的对齐规则：

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。

结构体类型是不占据内存空间大小的，结构体类型创建的变量才占据内存空间的大。就好像建筑图纸相当于不占据空间，根据建筑图纸建造的建筑物占据空间。
下面都是求的是sizeof(数据类型)，我们可以求由该类型创建变量的大小进而得出结果。

例一:

struct S1
	{
		char c1;
		int i;
		char c2;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	//输出结果？？？

输出结果为12

例2:

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

c1对齐数为min(1，8) = 1，c2对齐数为min(1,8) = 1，i对齐数为min(4,8) = 4.
c1占据偏移量为0的位置，c2占据偏移量为1的位置，i占据偏移量为4的位置。
最终大小为最大偏移量4的倍数，所以输出结果为8.

例三：

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

d的对齐数为min(8,8)=8,c的对齐数为min(1,8)=1,i的对齐数min(4,8)=4;
d占据了结构体偏移量为0到7的空间。8是1的整数倍,c占据偏移量为8的空间。12是4的倍数，i占据了偏移量12到15的空间。16是最大偏移量8的倍数。
所以输出结果为16

例四:结构体嵌套问题

	struct S4
	{
		char c1;
		struct S3 s3;//例三中的struct S3类型
		double d;
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

c1的对齐数min(1,8) = 1;s3的对齐数min(16,8) = 8;d的对齐数min(8,8) = 8;
c1占据了偏移量为0的空间。s3对齐数为8，8是s3对齐数的倍数，s3占据偏移量为8到23的空间。d的对齐数为8，24为d对齐数的倍数，d占据偏移量为24到31的空间。32是结构体中最大偏移量8的倍数。

为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是如是说的：

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，如何做到：
让占用空间小的成员尽量集中在一起。就比如例1中s1就要比例2中s2要大。

1.6修改默认对齐数

#pragma pack(),是修改默认对齐数的指令

#include<stdio.h>
#pragma pack(4)
struct S1
{
	int i;
	double d;
};
#pragma pack()

#pragma pack(1)
struct S2
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

S1中i的对齐数为min(4,4) = 4,d的对齐数为min(8,4)=4.
i占据了偏移量为0到3的位置。4是d的对齐数的整数倍，d占据了偏移量为4到11的位置
结构体内部最大偏移量为4，12是最大偏移量的整数倍，所以第一个printf函数输出结果为12
s2中c1的对齐数min(1,1)=1,i的对齐数min(4,1) = 4,c2的对齐数min(1,1) = 1;
c1占据偏移量为0的空间。2为i对齐数的整数倍，i占据偏移量为1到4的空间。5是c2对齐数的整数倍，c2占据偏移量为5的空间。
结构体内部最大偏移量为1，6是结构体最大偏移量的整数倍。所以第二个printf输出的结果为6。

1.7结构体传参

函数传参的时候，参数是需要压栈的。
结构体指针之只占4/8个字节，结构体变量中结构体成员越多结构体就越大
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。
结构体传参最好要用传递地址的方式，要是觉得不想要修改结构体变量就用const来修饰。

位段

结构体学完就得学学结构体实现位段的能力。

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 int、unsigned int ，signed int或char 。
位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

后面一个数字代表一个比特位的大小，

struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
printf("%d\n", sizeof(struct A));

A就是一个位段类型。那位段A的大小是多少？

_a, _b,_c占据17个比特位的大小申请一个整形大小也就是4字节32个比特位,_d占据30个比特位的大小，原空间还剩15个比特位的空间不足以存放_d所以再申请一个整形的大小。所以该位段的大小等于两个整形的大小也就是8个字节。

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;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	//空间是如何开辟的？

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左向右分配，还是从右向左分配标准尚未定义。
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

例如在qq聊天时，发过去一条消息不仅仅只是消息发过去了，是发过去了一个数据包，为了在传递信息时更快但也不会改变数据包中的内容，我们根据数据的大小设置位段使数据包占据内存空间更小，这样就会传递效率更高

3. 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

3.1 枚举类型的定义

enum Day//星期
{
	//枚举常量
	Mon,//0
	Tues,//1
	Wed,//2
	Thur,//3
	Fri,//4
	Sat,//5
	Sun//6
};


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
};

3.2 枚举的优点

为什么使用枚举？
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
使用方便，一次可以定义多个常量

枚举常量相对于数字常量，更加的容易读并且可维护性更好。对比#define这种标识符常量，枚举类型是把很多枚举变量在一个枚举类型内部防止了命名污染，同时枚举类型会类型检查，在c++中会更加体现，枚举常量不能赋值为整数。
enum Day//星期

{ 	//枚举常量 	
		Mon = 1, 	
		Tues, 	
		Wed, 	
		Thur, 	
		Fri, 	
		Sat, 	
		Sun 
};

#define M 100 
int main()
 { 	
 	enum Day d = Fri;//err
	 	int m = M;
 	return 0; 
 }
在调试过程中，是编译为.exe(可执行程序)之后再调试，调试时标识符常量直接变为常量，而枚举类型还是枚举类型，这样调试观察数据更方便。

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）。
比如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	//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));
	printf("%p\n", &un.c);
	printf("%p\n", &un.i);
	return 0;
}

最终的输出结果为

公用体是两个成员公用同一块空间。
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）。
共用体和结构体他们两个的区别可以用房子来类比，共用体相当于合租房，结构体相当于多居室，合租房只能住一个人，在不同的时间段来住，多居室可以很多人同事住，还有客厅这些剩余的非住人区域

用联合体判断大小端
大小端的概念在数据存储章节出现过。

#include <stdio.h>
int check_sys()
{
	union Un
	{
		char c;
		int i;
	}un;
	un.i = 1;
	return un.c;
}

int main()
{
	int a = 1;//0x 00 00 00 11
	//低----->高
	//01 00 00 00 -- 小端
	//00 00 00 01 -- 大端
	int ret = check_sys();
	if (ret == 1)
		printf("小端\n");
	else
		printf("大端\n");
	return 0;
}

4.2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

#include <stdio.h>
int main()
{
	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));
	return 0;
}

输出结果为

联合体union Un1中字符数组c占据5个字节但是它的对齐数不是5个字节，而是一个字节，可以把它看作五个字符型的结合，但对齐数还是一个字符型。所以最大对齐数为4。8 大于5并且是最大对齐数的整数倍。所以输出结果为8.
联合体union Un2中字符数组c占据14个字节，对齐数为2。i的对齐数为4，所以最大对齐数是4。大于14且是最大对齐数倍数的是16，所以输出结果为16.