【C语言】自定义类型：结构体，枚举，联合以及内存对齐的原理和原因
【C语言】自定义类型：结构体，枚举，联合以及内存对齐的原理和原因
一、结构体
1. 结构体类型的声明
首先，结构体关键字是struct，例如定义一个学生类型：struct Stu；Stu是结构体标签 ，struct Stu 整体就是结构体类型；
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};2. 结构体变量的定义和初始化
（1）第一种写法
struct Stu //Stu 结构体标签 struct Stu - 结构体类型
{
//成员变量
char name[20];
short age; //定义一个结构体类型
char tele[12];
char sex[5];
};//s1,s2,s3; //s1,s2,s3是三个全局结构体变量（一般不用）
int main()
{
struct Stu s; //创建结构体变量（局部变量） 相当于int a ；
return 0;
}（2）第二种写法（typedef的使用）
typedef是将结构体重新起别名为…；
typedef struct Stu //把struct Stu重新起名字为Stu，在；前起新的名字
{
char name[20];
short age;
char tele[12];
char sex[5];
}Stu; //Stu：将struct Stu类型起别名为 Stu，创建变量直接使用Stu就行；
int main()
{
Stu s1 = { "张三",30,"15236985412","男" }; //初始化变量，结构体初始化要用{}
Stu s2 = { "李四",20,"15421410451","男" };
printf("%s %d ", s1.name, s1.age); //结构体变量.成员
printf("\n");
Stu* ps = &s1;
printf("%s %d ", ps->name, ps->age); //结构体指针->成员
return 0;
}（3）第三种写法(结构体的嵌套使用)
在结构体中初始化遇到另一个结构体，就应该再使用一个{}对这个嵌套的结构体初始化；
struct S
{
int a;
char c;
char arr[20];
double d;
};
struct T
{
char ch[10];
struct S s;
char* pc;
};
int main()
{
char arr[] = "hello bit\n";
struct T t = { "hehe",{220,'a',"hello,world",3.14},arr }; //在结构体中初始化遇到另一个结构体，就应该再使用一个{}对这个嵌套的结构体初始化
printf("%s\n", t.ch);
printf("%s\n", t.s.arr);
printf("%lf\n", t.s.d);
printf("%s\n", t.pc);
return 0;
}3. 结构体的内存对齐
首先我们得了解结构体的对齐规则：
- 结构体的第一个成员永远都放在为0偏移处。
- 从第二个成员开始，以后每个成员都要对齐到某个对齐数的整数倍的地址处。 这个对齐数 = 成员自身大小和默认对齐数的较小值。 VS中默认的值为8
- 当全部成员存放进去后，结构体总大小必须为所有成员的对齐数中最大对齐数的整数倍；如果不够，则浪费空间对齐。
- 如果嵌套了结构体，嵌套的结构体成员要对齐到自己成员的最大对齐数的整数倍处；整个结构体的大小，必须是最大对齐数的整数倍，最大对齐数包含嵌套的结构体成员中的对齐数。
例如：
（1）计算S1结构体大小
struct S1
{
char c1; //自身大小是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1
int i ; //自身大小是4，默认对齐数是8，所以对齐数是4
char c2; //自身大小是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1
};
printf("%d\n",sizeof(struct S1));
c2最后放进去后，结构体大小为9个字节，不是这三个类型中的最大对齐数的整数倍，所以还需要浪费3个空间，凑够12个字节，即是4的倍数。
（2）计算S3结构体的大小
struct S3
{
double d; //自身大小是8，默认对齐数是8，所以对齐数是8
char c; //自身大小是1，默认对齐数是8，所以对齐数是1
int i; //自身大小是4，默认对齐数是8，所以对齐数是4
}
（3）计算S4的结构体大小
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
}
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
}在计算嵌套S3结构体时，嵌套的结构体成员要对齐到自己成员的最大对齐数的整数倍处，即S3结构体成员中最大对齐数是double的对齐数8，所以S3要对齐到8的倍数。
4. 存在结构体内存对齐的原因
- 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。如下图，
未对齐：
对齐：
对齐后a的值只需要访问一次就可以得到；
结论：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
所以在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间；让占用空间小的成员尽量集中在一起。
5. 结构体传参
Print2比Print1更优，传址更优，结构体传参尽量传结构体的地址；可在Print2中加const，使*ps的值更安全，不能被修改；
struct S
{
int a;
char c;
double d;
};
//给结构体中的成员初始化
void Init(struct S* ps)
{
ps->a = 100;
ps->c = 'w';
ps->d = 3.14;
}
void Print1(struct S tmp)
{
printf("%d %c %lf\n", tmp.a, tmp.c, tmp.d);
}
void Print2(const struct S* ps)
{
printf("%d %c %lf\n", ps->a, ps->c, ps->d);
}
int main()
{
struct S s = { 0 };
Init(&s);
Print1(s);
printf("\n");
Print2(&s);
return 0;
}6. 位段
（1）什么是位段
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 。（整形家族） 2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字
例如：
struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};A就是一个位段类型；int_a:2的意思是，只给a开辟两个比特位的空间；以此类推。
（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。
例如：
struct S
{
char a:3;
char b:4;
char c:5;
char d:4;
};
在分析struct S 的大小时，一共开辟了3个字节，所以计算出来是3个字节；
例如计算整型struct A的大小：
位段的内存分配具体图分析：
（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。
二、枚举
1. 什么是枚举
枚举就是一 一列举，把可能的取值一 一列举。
例如：
enum Sex
{
//枚举的可能取值,默认是从0开始，递增1的
//枚举常量
MALE,
FEMALE,
SECRET
};
int main()
{
enum Sex s = FEMALE;
printf("%d\n", MALE); //0
printf("%d\n", FEMALE); //1
printf("%d\n", SECRET); //2
return 0;
}2. 枚举的优点
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
三、联合
1. 联合类型的定义
联合类型的声明:
union Un
{
char c;
int i;
};此时i和c公用一个内存空间；
联合变量的定义
union Un un;2. 联合大小的计算
（1）联合的大小至少是最大成员的大小。 （2）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;
};
printf("%d\n", sizeof(union Un1)); //8
printf("%d\n", sizeof(union Un2)); //16腾讯云开发者
