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1.结构的特殊声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。
比如：
//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;
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。
匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次。
2. 结构体内存对齐
我们已经掌握了结构体的基本使⽤了。
现在我们深⼊讨论⼀个问题：计算结构体的大小。
这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对齐
先看代码：
#include<stdio.h>
struct S
{
char c1;//1
int i;//4
char c2;//1
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s));//size_t
return 0;
}
结果是什么呢？是不是6呢？
是不是很惊喜，为什么呢，这就涉及到了结果体的内存对齐了，让我们往下了解了解他的规则吧！
2.1 对齐规则
⾸先得掌握结构体的对齐规则：
- 结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为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 该成员变量大小的较小值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
- 结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有⼀个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
- 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
2.1.1
再把上面代码拿来分析分析：
#include<stdio.h>
struct S
{
char c1;//1
int i;//4
char c2;//1
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s));//size_t
return 0;
}
由第一个条件我们可以知道，结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，而字符型变量c1只占一字节，从下图可知，绿色部分就是为c1分配的空间
第二个条件： 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 该成员变量大小的较小值。（小编所用的VS编译器中的默认对齐数为8)（若无默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小）
i是int类型变量，占4个字节，而VS编译器默认对齐数为8，取较小值即为4。由条件二可知，我们需要将该变量对齐到对齐数（4）的整数倍地址处（简单来讲，就是偏移量为4的倍数即可），所以在接下来的空间找到偏移量为4的倍数即可，即图中黄色区域部分
c2是字符型变量，只占一个字节，由条件二得，对齐数是1，任何数都是1的倍数，所以再接下去的空间即偏移量为8的位置即可为c2分配空间，即图中蓝色区域部分
到这里，每个成员变量就分配好了空间，但还不够
由条件3得： 结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有⼀个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
在该代码中，最大对齐数为4，此时9不是最大对齐数4的整数倍，往下扩大，最终结构体总大小为12个字节（浪费了6个字节）
2.1.2
经过上面的了解，下面这个代码结果又是什么呢？
#include<stdio.h>
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
struct S2 s2 = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s2));//size_t
return 0;
}
同样的，结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处，
第一个成员c1为字符型变量，占一个字节，图中绿色部分即为c1的空间
第二个成员c2为字符型变量，占一个字节，对齐数为1，图中蓝色区域
第三个成员i为整型变量，占4个字节，对齐数为4，需对齐到对齐数的整数倍地址处（相当于偏移量为4的倍数即可），即图中黄色区域
切记，还有最后一步，结构体总大小应为成员变量中最大对齐数的整数倍
由图可知，该结构体占8字节，为4的整数倍，刚好！！
2.1.3
再来！
#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;//8 8 8
char c; //1 8 1
int i; //4 8 4
};
int main()
{
struct S3 s3 = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s3));//size_t
return 0;
}
由规则可知，结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
第一个成员d为double型变量，占8个字节，从偏移量为0处往下开辟8个字节给d，即图中绿色区域
第二个成员c为字符型变量，占1个字节，对齐数为1，任何数都是1的倍数，即图中蓝色区域
第三个成员i为整型变量，占4个字节，对齐数为4，需对齐到对齐数的整数倍地址处（相当于偏移量为4的倍数即可），即图中黄色区域
最后，由图可知，总占16个字节，最大对齐数为4，刚好为4的倍数
2.1.4
最后一个规则：
#include<stdio.h>
struct S3
{
double d;//8 8 8
char c; //1 8 1
int i; //4 8 4
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
struct S3 s3 = { 0 };
struct S4 s4 = { 0 };
printf("%zd\n", sizeof(s4));//size_t
return 0;
}
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
还是那些规则：结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
第一个成员c1是字符型变量，占1个字节，为其开辟一个字节空间，即蓝色区域
第二个成员是嵌套的结构体，按规则4可知，该结构体需对齐到其结构体成员中最大对齐数（8）的整数倍处，往下找，即偏移量为8的位置处，由前面代码结果我们知道，结构体S3大小为16个字节，所以往下为其开辟16个字节的空间，即绿色区域
第三个成员d是double型变量，占8个字节，对齐数为8，需对齐到对齐数的整数倍地址处（相当于偏移量为8的倍数即可），刚好接下来的偏移量为24处即为8的倍数，往下开辟8个字节空间，即图中黄色区域
最后，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
由图可知，总共占32个字节，最大对齐数为8，刚好为8的倍数
2.2 为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是这样说的：
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（ 比如地址为8的整数倍），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要一次访问。假设⼀个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
字节对齐是为了提高CPU访问数据的效率。32位字长的计算机，其CPU一次可以读写的数据长度是4个字节，64位计算机则一次可以读取8个字节。对于char型数组，只占据一个字节，小于计算机一次读取的字节数，所以无论其元素放在什么地址，都可以一次读取到
从图中所指位置开始访问，在32位机器上，一次访问4个字节，在对齐情况下，第一次就能把c的值取出，紧接着，再访问4个字节，就把i一次性取了出来
在不对齐的情况下，仍从图中所指位置开始访问，当我们要读取i的数据时，第一次访问只拿到了i的前3个字节，需要再往后读取4个字节，得到i剩余的字节，两次读取内容拼接才能得到i的值
所以在不对齐的情况下，我们可能需要读取两次才能把i的值取到，而对齐的情况下，我们只需读取一次就能把i的值取出
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。
上面中的成员变量一致，只是位置发生了变化
其中，S1所占空间大小为12个字节，S2所占空间大小为8个字节
结论：把占用空间较小的成员集中在一起，可以减少空间的浪费
2.3 修改默认对齐数
#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。
//一般设置默认对齐数都设为2的次方次
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
//设默认对齐数为1后会连着存放
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
//虽然设置默认对齐数为1可以达到减少空间的浪费（这种做法相当于不对齐情况）,但也不一定满足我们的所需，需根据实际情况来调整
使用情况：结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。
3. 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。(需要创建新空间存放结构体中的成员变量，并将这些变量一 一传过去，浪费了空间，也浪费了时间，而用指针，指针变量大小为4/8字节)
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。
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。
4. 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。
4.1 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 或signed int （char类型本质上也可以是int类型，因为char是根据ACLII码值存储的），在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。
- 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
比如：
//位段式的结构
struct S
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
那么，在使用位段式结构的情况下，这个位段占几个字节呢？
上面总和为47个bit位，一个字节8个bit位，那么，6个字节是否就够了？
实则不然，这就涉及到了另一个知识点 ----位段的内存分配
4.2 位段的内存分配
- 位段的成员可以是 int unsigned、 int 、signed int 或者是 char 等类型
- 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;
};
int main()
{
struct S s = { 0 };
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
printf("%zd\n", sizeof(s));
return 0;
}
//空间是如何开辟的？
int main()
{
unsigned char puc[4];
struct tagPIM
{
unsigned char ucPim1;
unsigned char ucData0 : 1;
unsigned char ucData1 : 2;
unsigned char ucData2 : 3;
}*pstPimData;
pstPimData = (struct tagPIM*)puc;
memset(puc,0,4);
pstPimData->ucPim1 = 2;
pstPimData->ucData0 = 3;
pstPimData->ucData1 = 4;
pstPimData->ucData2 = 5;
printf("%02x %02x %02x %02x\n",puc[0], puc[1], puc[2], puc[3]);
return 0;
}
分析如下：
4.3 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：
跟结构体相⽐，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
4.4 位段的应用
下图是⽹络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。
4.5 位段使用的注意事项
位段的几个成员共有同⼀个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配⼀个地址，⼀个字节内部的bit位是没有地址的。所以不能对位段的成员使⽤&操作符，这样就不能使⽤scanf直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在⼀个变量中，然后赋值给位段的成员。（尽量在使用位段时使位段成员类型一致）
比如上面提到的：
在该图中我们不难看出，成员a、b、c、d都不在每个字节的起始地址处，所以我们无法获取其地址为其用scanf来输入值
下面是一个例子：
#include<stdio.h>
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
struct A sa = { 0 };
scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
//正确的⽰范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = b;
return 0;
}
OK!到这里结构体的补充就暂告一段落！让我们进一步学习另外的自定义类型吧！
5. 联合体
5.1 联合体类型的声明
像结构体一样，联合体也是由一个或者多个成员构成，这些成员可以不同的类型。
但是编译器只为最大的成员分配足够的内存空间。联合体的特点是所有成员共用同⼀块内存空间。所以联合体也叫：共用体。
给联合体其中一个成员赋值，其他成员的值也跟着变化。
联合体的关键字为union
定义联合体类型变量的一般形式为：
union 共用体名
{
成员表列;
}变量表列;
//可以将类型声明与变量定义分开
可以对联合体变量初始化，但初始化表中只能有一个常量。如下：
union Data
{
int i;
char ch;
float f;
}a = {1,'a',1.5}; //不能初始化3个成员，他们占用同一段存储单元
union Data a = { 16 }; //正确，对第一个成员初始化
union Data a = { .ch='j'}; //C99允许对指定的一个成员初始化
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un = { 0 };
printf("%d\n", sizeof(un));
return 0;
}
运行结果为：
为什么是4呢？
5.2 联合体的特点
联合的成员是共用同一块内存空间的，这样一个联合体变量的大小，至少是最大成员的大小（因为联合体至少得有能力保存最大的那个成员）。
//代码1
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un = { 0 };
// 下⾯输出的结果是⼀样的吗？
printf("%p\n", &(un.i));
printf("%p\n", &(un.c));
printf("%p\n", &un);
return 0;
}
运行结果如下：
//代码2
#include <stdio.h>
//联合类型的声明
union Un
{
char c;
int i;
};
int main()
{
//联合变量的定义
union Un un = { 0 };
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
return 0;
}
运行结果为：
代码1输出的三个地址⼀模⼀样，代码2的输出，我们发现将i的第4个字节的内容修改为55了。我们仔细分析就可以画出，un的内存布局图。
5.3 相同成员的结构体和联合体对比
我们再对比一下相同成员的结构体和联合体的内存布局情况。
5.4 联合体大小的计算
• 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>
union Un1
{
char c[5];//相当于放了5个char类型变量，所以对齐数为1
int i;//自身大小为4，VS默认对齐数为8，较小值为4，所以对齐数为4
};
union Un2
{
short c[7];
int i;
};
int main()
{
//下⾯输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(union Un1));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));
return 0;
}
上述代码中：
Un1中最大成员的大小为5个字节，系统为他分配了5个字节，Un2中最大成员的大小为4个字节（short类型占2字节，7个就是14个字节），系统为该联合体分配14个字节，结果是不是就是5、14呢？
运行结果如下：
为什么呢？
这就涉及到了另一条规则：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。
Un1中最大对齐数为4，而5不是4的整数倍，最终结果为8
Un2中最大对齐数为4，而14不是4的整数倍，最终结果为16
使用联合体是可以节省空间的，举例：
比如，我们要搞⼀个活动，要上线⼀个礼品兑换单，礼品兑换单中有三种商品：图书、杯子、衬衫。
每⼀种商品都有：库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息。
图书：书名、作者、页数
杯子：设计
衬衫：设计、可选颜色、可选尺寸
那我们不耐心思考，直接写出⼀下结构：
struct gift_list
{
//公共属性
int stock_number;//库存量
double price; //定价
int item_type;//商品类型
//特殊属性
char title[20];//书名
char author[20];//作者
int num_pages;//⻚数
char design[30];//设计
int colors;//颜⾊
int sizes;//尺⼨
};
上述的结构其实设计的很简单，用起来也方便，但是结构的设计中包含了所有礼品的各种属性，这样使得结构体的大小就会偏大，比较浪费内存。因为对于礼品兑换单中的商品来说，只有部分属性信息是常用的。⽐如：
商品是图书，就不需要design、colors、sizes。
所以我们就可以把公共属性单独写出来，剩余属于各种商品本身的属性使用联合体联合起来，这样就可以减少所需的内存空间，⼀定程度上节省了内存。
struct gift_list
{
int stock_number;//库存量
double price; //定价
int item_type;//商品类型
union {
struct
{
char title[20];//书名
char author[20];//作者
int num_pages;//⻚数
}book;
struct
{
char design[30];//设计
}mug;
struct
{
char design[30];//设计
int colors;//颜⾊
int sizes;//尺⼨
}shirt;
}item;
};
5.5 联合的一个练习
写⼀个程序，判断当前机器是大端？还是小端？
在前面学习大小端的时候我们已经写过了这个程序，今天就用联合体来写这个代码：
#include<stdio.h>
int check_sys()
{
union
{
int i;
char c;
}un;
un.i = 1;
return un.c;//返回1是⼩端，返回0是⼤端
}
int main()
{
int ret = check();
if (ret == 1)
printf("小端\n");
else
printf("大端\n");
}
#include<stdio.h>
int main()
{
union
{
short k;
char i[2];
}*s, a;
s = &a;
s->i[0] = 0x39;
s->i[1] = 0x38;
printf("%x\n", a.k);
return 0;
}
这个联合体有两个成员：一个 short 类型的 k 和一个 char 类型的数组 i[2]。
最大成员大小为2字节，符合前述两条规则；
s = &a; 这行代码将共用体 a 的地址赋给指针 s。
s->i[0] = 0x39; 这行代码将 0x39（十六进制）转换为 char 类型并存储在联合体 a 的 i[0] 位置。在内存中，这通常位于联合体的起始位置。
s->i[1] = 0x38; 这行代码将 0x38（十六进制）转换为 char 类型并存储在联合体 a 的 i[1] 位置。在内存中，这通常位于 i[0] 之后的地址。
k与字符数组i共用2个字节空间，所以改变数组i元素的值的同时也改变了k的值
所以k的高位为0x38，低位为0x39，最终结果为3839
6. 枚举类型
6.1 枚举类型的声明
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
三原色，也是可以意义列举
这些数据的表示就可以使用枚举了。
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，依次递增1，当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
enum Color//颜⾊
{
RED = 2,
GREEN = 4,
BLUE = 8
};
6.2 枚举类型的优点
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。（C++具有类型检查）
- 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号
- 使用方便，⼀次可以定义多个常量
- 枚举常量是遵循作用域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使用
#define MALE 0
#define FEMALE 1
#define SECRET 2
int main()
{
int sex = MALE;
return 0;
}
在预处理的时候，程序中所以MALE都会替换成0，表面上看它还是MALE，实际已经被替换为0了，在前面讲解typedf与defind的区别时讲解过
6.3 枚举类型的使用
void menu()
{
printf("**************************\n");
printf("**** 1. add 2.sub ****\n");
printf("**** 3. mul 4.div ****\n");
printf("**** 0. exit ****\n");
printf("**************************\n");
}
enum Option
{
EXIT,//0
ADD,//1
SUB,//2
MUL,//3
DIV//4
};
int main()
{
int input = 0;
printf("请选择:>");
scanf("%d", &input);
switch (input)
{
case ADD:
break;
case DIV:
break;
case MUL :
break;
case SUB:
break;
case EXIT:
break;
default:
break;
}
return 0;
}
enum Color//颜⾊
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;//使⽤枚举常量给枚举变量赋值
enum enum Color clr = 0;//error,会发生错误（c++），如下
那是否可以拿整数给枚举变量赋值呢？在C语言中是可以的，C语言中的枚举没有强类型检查，即你可以为枚举成员赋予任何整数值，包括负数；但是在C++是不行的，C++提供了对枚举成员的类型检查
如下：一边是整型，一边是枚举类型（还有一点：C语言中，枚举类型在内存中存储为整数）
OK！万字阐述到此结束！感谢各位观看，欢迎下次再来！
