C语言超详细讲解结构体与联合体的使用

 更新时间:2022年05月06日 08:37:49   作者:茂大师  
结构体和联合体用于描述事物的属性,如一只鸟的信息,可能包括它的品种,体重,颜色,年龄等,接下来大家一起来详细看看吧

结构体

结构体内存对齐问题:

当我们在计算结构体的大小时,我们便需要清楚的知道结构体内存对齐是什么。

存在内存对齐的原因可细分为两个:

平台原因:

不是所有的硬件平台都能方位任意地址上的任意数据;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则会抛出硬件异常。

性能原因:

首先内存对齐可以提高程序的性能,当访问未对其的内存空间时,有时候处理器需要进行两次访问,而当访问对齐的内存时,只需要一次就够了。这同时也被叫做 用空间换取时间。 

结构体的对齐规则:

1.第一个成员在与结构体变量偏移量为0的地址处。

2.其他成员变量要对齐到某各数字(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)

3.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。

4.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。

举例1:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int main()
{
	struct s1
	{
		char c1; // 1字节
		int i;   // 4字节
		char c2; // 1字节
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct s1));
}

输出结果为:

解释如下:

我们易知内存会为结构体开辟一块空间来给结构体存储数据,从而我们可以用下图的方式将该空间给表示出来:

举例2:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int main()
{
	struct s2
	{
        int i;  // 4字节
		char c1;// 1字节
		char c2;// 1字节
	};
	printf("%d\n", sizeof(struct s2));
}

输出结果为:

解释如下:

举例3:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
struct s3
{
	double d; // 8字节
	char c;   // 1字节
	int i;    // 4字节
};
struct s4
{
	char c1;   // 1字节
	struct s3; // 16字节
	double d;  // 8字节
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s4));
	return 0;
}

输出结果为:

解释如下:

结论总结:

当我们想内存对齐的同时也想节省空间时,可以将空间小的变量集中在一起!!

offsetof-宏

用途:计算结构体成员相对于起始位置的偏移量的

注意:使用该函数时,应该引用头文件 #include <stddef.h>

举例:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
struct s1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%u\n", offsetof(struct s1,c1));
	printf("%u\n", offsetof(struct s1, i));
	printf("%u\n", offsetof(struct s1, c2));
}

输出结果为:

位段

位段的成员类型必须为: int、unsigned int、signed int

位段的空间是按照需要以4个字节(int)或者1个字节(char )的方式来开辟的

位段的成员名后边有一个冒号和一个数字!

举例1:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
struct s5
{              // 位段所代表的意思
	int _a : 2; // _a 占 2个bit位
	int _b : 5; // _b 占 5个bit位 
	int _c : 10;// _c 占 10个bit位 
	int _d : 30;// _d 占 30个bit位 
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(s5));
	return 0;
}

输出结果为:( 原本的字节大小为 16 字节 =16*8=128 bit  现在的字节大小为 8字节且只占 2+5+10+30 = 47bite)

那为啥不是占用7字节呢?7字节有 7*8=56bite 也够使用啊?

我们便需要根据位段的规定来解释,当为(int)类型时内存空间每次都是以4字节的大小来开辟空间的,当为(char)类型时内存空间每次都是以1字节的大小来开辟空间的,所给例子为int类型,当所定的第一个4字节空间不够用时,便会再开辟一块大小为4字节的空间来供其存储,从而输出结果为8字节。

结论:  

我们可以根据所定义的整型数字大小,利用位段来给其分配相适应大小的空间,从而有效的帮我们进行内存空间的节省。

举例2:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
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;
	return 0;
}

我们想要知道位段在(VS编译器)内存中是如何存储的,便可以打开监控来进行调试

如图所示:

 (结构体变量s 刚开始初始化了 3字节)

 (结构体变量s 经过赋值之后存储数值的变化)

解释如下图:

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。

结论:

位段涉及很多不确定因素,位段是不垮平台的,注重可移植的程序应该避免使用位段。

枚举

枚举类型是某类数据可能取值的集合

例子:一周内星期的取值为7天,可以一一列举出来

定义方式及使用方式:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum day
{
	Mon,
    Tues,
	Wed,
	Thur,
	Fri,
	Sat,
	Sun
};
int main()
{
	enum day s1 = Mon;
	enum day s2 = Sat;
	return 0;
}

举例1:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum color
{
	blue,
	green,
	yellow
};
int main()
{
	printf("%d\n", blue);
	printf("%d\n", green);
	printf("%d\n", yellow);
	return 0;
}

输出结果为: (由结果知枚举常量会被自动从0开始一次往下赋值)

拓展:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
enum color
{
	blue=4,
	green=7,
	yellow
};
int main()
{
	printf("%d\n", blue);
	printf("%d\n", green);
	printf("%d\n", yellow);
	return 0;
}

输出结果为:(由此可知枚举常量我们可以自定义赋值,未赋值常量为其上一常量的值+1)

#define 也可以用来定义常量,那用枚举来定义常量的优点为:

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

联合体(共用体)

特点:

各成员共享一段内存空间,一个 联合变量的长度等于各成员中最长的长度。

举例1:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
union Un
{
	char c;
	int i;
};
int main()
{
	union Un u1;
	printf("%d\n", sizeof(u1));
	printf("%p\n", &u1);
	printf("%p\n", &u1.c);
	printf("%p\n", &u1.i);
}

输出结果为: 

如图所示: 

应用:(用来判断编译器是大端存储还是小端存储)

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
int chek_sys()
{
	union Un //创建一个联合体 char c 和 int i 共用同一块存储空间
	{
		char c;
		int i;
	}u;
	u.i = 1;    // 这里给i赋值为1
	            //若为小端存储时内存中所存储:01 00 00 00(16进制)  为大端存储: 00 00 00 01(16进制) 
	return u.c; //这里直接返回 char c 与 int i 所共用空间的值 
	            //返回1字节大小的值 即 int i 以16进制方式所存储的前两位数字 ,若值为1则为小端 若值为0则为大端
}
int main()
{
	if (1 == chek_sys())
	{
		printf("小端\n");
    }
	else
	{
		printf("大端\n");
	}
	return 0;
}

输出结果:

举例2:(计算联合体的大小)

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
union Un
{
	char arr[5];//5字节
	int i;     //4字节
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(union Un));
	return 0;
}

输出结果为:(我们从结果得知联合体也存在内存对齐) 

解释:

char类型数组先占用5字节,其对齐数为1字节(char),int i占用4字节与char类型数组公用同一块空间,其对齐数为4字节(int),该联合体所占5字节,但存在内存对齐,需为4字节的倍数,从而要浪费3字节空间使其为8字节。

以上便是关于结构体和联合体的全部内容 !

如有错误或者能改进的地方 请各大佬指出 我会及时改正!! 

到此这篇关于C语言超详细讲解结构体与联合体的使用的文章就介绍到这了,更多相关C语言结构体与联合体内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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