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C语言结构体与联合体

茂大师 人气:0

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!! 

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