C语言之复合数据类型

思维导图

结构体基础

1. 结构体类型的定义与声明
   

2. 结构体类型变量定义和初始化
   

1. 定义变量
   struct stu s1;
2. 结构体变量初始化
   struct stu s5 = { “小明”,10,15,5,98};
3. 使用，变量用 “.” 引用成员，指针用 “->” 引用成员
   printf (“num = %d，name = %s\n”, s5.num, s5.name);

3. 结构体类型变量赋值与使用
   

4. 结构体数组
   

5. 结构体嵌套
   

6. 结构体指针
   • 结构体和结构体变量是不同的概念
   • 结构体是一种数据类型，和我们的int float等是一样的，编译器不会为它分配内存
   • 结构体变量才是实实在在的数据，才需要内存来存储
   struct student stu = {“xiaoming”, 18, 50}; // 结构体变量
   struct student *pstu = &stu; // 结构体指针，指向一个结构体变量stu

struct student pstu = student; //错误的写法
获取结构体成员：
. 号的优先级高于*,(*pstu)两边的括号是不能少的，如果去掉括号，
就变成 *pstu.name == *(pstu.name)
printf (“name = %s\n”, (*pstu).name);

->是一个新的运算符，一般叫做"箭头"，通过它结构体指针能直接取得结构体的成员
printf (“name = %s\n”, pstu->name);
printf (“age = %d\n”, pstu->age);
printf (“score = %.2f\n”, pstu->score);
结构体变量名代表的是整个集合本身，作为函数参数时传递的整个集合，也就是所有成员，而不是像数组一样被编译器转换成一个指针。如果结构体成员较多，尤其是成员为数组时，传送的时间和空间开销会很大，影响程序的运行效率。所以最好的办法就是使用结构体指针，这时由实参传向形参的只是一个地址，非常快速

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结构体内存对齐模式

为什么要进行内存对齐？

内存对齐是操作系统为了快速访问内存而采取的一种策略，简单来说，就是为了放置变量的二次访问。操作系统在访问内存 时，每次读取一定的长度（这个长度就是操作系统的默认对齐系数，或者是默认对齐系数的整数倍）。如果没有内存对齐时，为了读取一个变量是，会产生总线的二 次访问。
例如假设没有内存对齐（默认对齐系数为8），结构体xx的变量位置会出现如下情况：
struct xx{
​ char b; //0xffbff5e8
​ int a; //0xffbff5e9
​ int c; //0xffbff5ed
​ char d; //0xffbff5f1
};
操作系统先读取0xffbff5e8-0xffbff5ef的内存，然后在读取0xffbff5f0-0xffbff5f8的内存，为了获得值c，就需要将两组内存合并，进行整合，这样严重降低了内存的访问效率。（这就涉及到了老生常谈的问题，空间和效率哪个更重要？）。
这样大家就能理解为什么结构体的第一个变量，不管类型如何，都是能被8整除的吧（因为访问内存是从8的整数倍开始的，为了增加读取的效率）

内存对齐原则

1、 结构体成员的首地址要能被该成员的类型长度所整除
2、 结构体为成员分配空间原则

• 每次分配的时候按当前最大类型分配
• 如果当前空间够用，则不再分配空间
• 如果当前类型大于系统默认对齐系数的时候，按系统系数标准进 行分配空间，否则按最大类型分配空间

系统默认对齐系数

每 个操作系统都有自己的默认内存对齐系数，如果是新版本的操作系统，默认对齐系数一般都是8，因为操作系统定义的最大类型存储单元就是8个字节，例如 long long，不存在超过8个字节的类型（例如int是4，char是1，long在32位编译时是4，64位编译时是 8）。当操作系统的默认对齐系数与内存对齐的理论产生冲突时，以操作系统的对齐系数为基准
举例说明:

#include<stdio.h>
struct test
{        
char a;
int b;
long c;
long long d;        
char e;        
short f;        
};
int main()
{
printf(" long size is %lu\n",sizeof(long));
printf(" short size is %lu\n",sizeof(short));
printf(" long size is %lu\n",sizeof(long));
printf("struct test size is %lu\n",sizeof(struct test));
return 0;
}

Ubuntu14.04 64bits 测试：

分析：

struct test 成员的最大类型长度是8字节
Ubuntu14.04 64bits默认内存对齐系数也是8字节
所以按8字节进行分配空间
上面的成员排列会造成内存空间浪费

应该如下排列，资源最大化利用。
struct test
{
char a;
char e;
short f;
int b;
long c;
long long d;
};

结构体位域

1. 概念：
   有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节，只需要占用一个或几个二进制位即可。例如开关只有通电和断电两种状态，用 0 和 1 表示足以，也就是用一个二进位。正是基于这种考虑，C语言又提供了一种叫做位域的数据结构。
   在结构体定义时，我们可以指定某个成员变量所占用的二进制位数（Bit），这就是位域：

struct bs
{
​ unsigned m;
​ unsigned n: 4;
​ unsigned char ch: 6;
}；

2. 存储规则：
   • 相邻成员的类型相同
   当相邻成员的类型相同时，如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员紧邻前一个成员存储，直到不能容纳为止；如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小，那么后面的成员将从新的存储单元开始，其偏移量为类型大小的整数倍。

struct bs{
unsigned m: 6;
unsigned n: 12;
unsigned p: 4;
};
printf("%d\n", sizeof(struct bs));

• 相邻成员的类型不同
当相邻成员的类型不同时，不同的编译器有不同的实现方案，GCC 会压缩存储，而 VC/VS 不会

struct bs
{
unsigned m: 12;
unsigned char ch: 4;
unsigned p: 4;
};
printf("%d\n", sizeof(struct bs));

• 成员之间插着非位域成员
如果成员之间穿插着非位域成员，会视情况进行压缩。例如对于下面的 bs：

struct bs
{
unsigned m: 12;
unsigned char ch;
unsigned p: 4;
};
printf("%d\n", sizeof(struct bs));

• 位域成员可以没有名字，只给出数据类型和位宽

struct bs{
int m: 12;
int : 20; //该位域成员不能使用
int n: 4;
};

无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称，无名位域不能使用。
上面的例子中，如果没有位宽为 20 的无名成员，m、n 将会挨着存储，sizeof(struct bs) 的结果为 4；有了这 20 位作为填充，m、n 将分开存储，sizeof(struct bs) 的结果为 8。

共用体

共用体：
所用成员共用一段内存，共用体大小是成员中占据最大的成员的大小

定义、初始化和使用：

union 共用体名
{
   成员列表
};

结构体和共用体的区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响；而共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。
结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和（成员之间可能会存在缝隙），共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会把原来成员的值覆盖掉。
共用体的所有成员起始地址的是一样的。

#include<stdio.h>
union Test
{
    int a;
    char c;
};
int main()
{
    printf ("sizeof Test = %lu\n", sizeof(union Test));
    union Test t;
    t.a = 10;
    t.c = 'A';
    
    printf ("%d\n", t.a);
    return 0;
}

大小端模式：

如果我们将0x1234abcd 写入到以0x0000 开始的内存中，则Little endian和Big endian 模式的存放结果如下：

大端模式：字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。
小端模式：字数据的高字节存储在高地址中，而字数据的低字节则存放在低地址中。

测试大小端
// 小端返回1 大端返回0

int func()
{
​ union
​ {
​ unsigned int a;
​ unsigned char c;
​ }t;
​ t.a = 0x12345678
return (t.c == 0x78);
}

枚举

enum typeName{ valueName1, valueName2, valueName3, ...... };
enum week{ Mon, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun };

1. 枚举列表中的 Mon、Tues、Wed 这些标识符的作用范围是全局的，不能再定义与它们名字相同的变量。

2. Mon、Tues、Wed 等都是常量，不能对它们赋值，只能将它们的值赋给其他的变量

3. Mon、Tues、Wed 等都是常量， 初始化只能在定义的时候进行，如果没有初始化，默认从0开始依次递增1，如果只初始化部分，后面的也是一次递增1

#include<stdio.h>
enum week{Mon, Tues, Wed=100, Thurs, Fri, Sat, Sun};
int main()
{
printf ("%d\n", Mon);
printf ("%d\n", Tues);
printf ("%d\n", Wed);
printf ("%d\n", Thurs);
printf ("%d\n", Fri);
printf ("%d\n", Sat);
printf ("%d\n", Sun);
return 0;
}

结果：