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博客主页江池俊的博客⏩收录专栏C语言进阶之路专栏推荐✅C语言初阶之路 ✅数据结构探索代码仓库江池俊的代码仓库欢迎大家点赞评论收藏⭐ 文章目录 一、✨结构体的那些事✨1.1 结构体的自引用1.2 结构体内存对齐【结构体嵌套问题】为什么存在内存对齐? 1.3 offsetof宏 二、位段Bit-fields2.1 什么是位段2.2 定义位段2.3 位段的内存分配2.4 位段的跨平台问题2.5 位段的用途 三、枚举3.1 枚举类型的定义3.2 枚举的优点3.3 枚举的使用 四、 联合共用体4.1 联合类型的定义4.2 联合的特点4.3 联合大小的计算 前言 上节【C语言】结构体解谜拆解数据的力量已经讲解了结构体这种自定义类型那么接下来我将带着大家一起深入结构体以及其他自定义类型的学习。 一、✨结构体的那些事✨
概念 结构是一些值的集合这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。
1.1 结构体的自引用
在C语言中结构体内部是不能包含直接指向自己类型的成员的这会导致无法确定结构体的大小。这是因为一个结构体的大小必须是确定的以便程序在内存中正确地分配空间。
如果需要在结构体内部包含指向相同类型的成员可以使用指向结构体的指针来实现这个目的。
以下是一个正确的示例
struct Node
{int data;struct Node* next; // 使用指针指向相同类型的结构体
};在这个例子中next 成员是一个指向 struct Node 类型的指针而不是直接嵌套一个 struct Node 类型。
然而对于以下代码
struct Node
{int data;struct Node next; // 这种方式是错误的
};这是不合法的因为 struct Node 中包含了一个直接指向相同类型的成员 next这将导致无法确定结构体的大小。
1.2 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。 这也是一个特别热门的考点 结构体内存对齐
在C语言中结构体内存对齐是指编译器如何在内存中分配结构体的成员以保证存取效率和对齐要求。它的目的是为了优化内存访问的性能。
那么结构体大小我们将如何计算呢
首先得掌握结构体的对齐规则 第一个成员在与结构体变量偏移量为 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 该成员大小的较小值。 VS中默认的值为8 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。 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。 sizeof操作符sizeof 结构体会返回整个结构体的大小包括填充字节。 #pragma pack(n)#pragma pack 是一个预处理指令可以用来改变默认的对齐方式。#pragma pack(n) 将指定对齐值为 n 字节。这个指令在一些特殊情况下可能会用到但一般情况下不建议随意修改对齐方式。
例子
struct Example {char a; // 占用1字节int b; // 在32位系统下通常占用4字节double c; // 通常占用8字节
}; // 在32位系统下这个结构体的大小为 16 字节包括填充【结构体嵌套问题】
struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf(%d\n, sizeof(struct S3)); //结果是 16
//结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
printf(%d\n, sizeof(struct S4)); //结果是 32需要强调的是具体的对齐规则和表现可能会因编译器、编译器版本和目标平台的不同而略有差异因此在编写特定平台下对齐要求敏感的代码时最好查阅相应的编译器文档或规范。
为什么存在内存对齐? 大部分的参考资料都是如是说的 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。
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;
};//大小为 12
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};//大小为 8S1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。
1.3 offsetof宏
头文件 stddef.h 声明
offsetof(type, member-designator);参数 type - - - 这是一个 class 类型其中member-designator 是一个有效的成员指示器。member-designator - - - 这是一个 class 类型的成员指示器。 返回值 该宏返回类型为 size_t 的值表示 type 中成员的偏移量。 C 库宏 offsetof(type, member-designator) 会生成一个类型为 size_t 的整型常量它是一个结构成员相对于结构开头的字节偏移量。成员是由 member-designator 给定的结构的名称是在 type 中给定的。
【实例】 #includestdio.h
#includestddef.h
struct S3
{double d;char c;int i;
}; //大小为16
//结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
}; //大小为32
int main()
{printf(aS3 结构中的 c 偏移 %d 字节。\n,offsetof(struct S3, c)); //结果是 8printf(S4 结构中的 c1 偏移 %d 字节。\n,offsetof(struct S4, c1)); //结果是 0printf(S4 结构中的 s3 偏移 %d 字节。\n,offsetof(struct S4, s3)); //结果是 8 return 0;
}二、位段Bit-fields
在C语言中位段Bit-fields是一种非常有用的数据结构允许你定义数据成员占用的位数从而有效地利用存储空间。位段特别适用于需要精细控制内存占用和性能的情况。在本文中我们将深入研究C语言中的位段包括如何定义、使用和优化它们。
2.1 什么是位段
位段是一种结构体成员它允许你定义成员占用的位数。这样你可以在一个字节或更大的内存单元中将不同的位用于不同的数据而不是整个字节。这有助于节省内存并在某些情况下提高性能。
2.2 定义位段
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 。位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。 在结构体中定义位段的语法如下
struct MyStruct {type memberName : numberOfBits;
};type 是成员的数据类型通常是 int、unsigned int 或其他整数类型。memberName 是成员的名称。numberOfBits 指定了成员占用的位数。
2.3 位段的内存分配
使用位段时需要注意以下事项
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总位数不能超过成员的类型的总位数。位段成员不能取地址也不能作为函数参数传递。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;
};
struct S s { 0 };
s.a 10;
s.b 12;
s.c 3;
s.d 4;
//空间是如何开辟的2.4 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1632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 跟结构相比位段可以达到同样的效果但是可以很好的节省空间但是有跨平台的问题存在。 2.5 位段的用途 节省内存 位段允许你精确地控制每个成员占用的位数从而节省内存。这对于嵌入式系统和大规模数据结构特别有用。 提高性能 在某些情况下位段可以提高内存访问性能因为它们可以减少数据传输的时间。 代码可读性 通过使用位段你可以更清晰地表示特定的标志或位字段从而提高代码的可读性。 三、枚举
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 这里就可以使用枚举了。
3.1 枚举类型的定义
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开始一次递增1当然在定义的时候也可以赋初值。 例如
enum Color//颜色
{RED 1,GREEN 2,BLUE 4
};3.2 枚举的优点 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。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
3.3 枚举的使用
enum Color//颜色
{RED 1,GREEN 2,BLUE 4
};
int main()
{enum Color clr GREEN;//只能拿枚举常量给枚举变量赋值才不会出现类型的差异。clr 5; //赋值号左边是枚举类型右边是整型若在c中是不能赋值的return 0;
}四、 联合共用体
联合体Union是一种特殊的数据类型允许在相同的内存位置存储不同类型的数据。它类似于结构体但是不同的是联合体的成员共享同一块内存空间。 关键字union
4.1 联合类型的定义
联合也是一种特殊的自定义类型 这种类型定义的变量也包含一系列的成员特征是 这些成员公用同一块空间所以联合也叫共用体。 比如
#includestdio.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;//计算连个变量的大小printf(%d\n, sizeof(un)); //结果为 4return 0;
}4.2 联合的特点 联合的成员是共用同一块内存空间的这样一个联合变量的大小至少是最大成员的大小因为联合至少得有能力保存最大的那个成员。 面试题 判断当前计算机的大小端存储 //判断当前计算机的大小端存储
#includestdio.hcheck_sys()
{union Un{char c;int i;}u;u.i 1;return u.c;//返回1表示小端返回0表示大端
}int main()
{if (check_sys())printf(小端\n);elseprintf(大端\n);return 0;
} //vs2022下输出结果为小端4.3 联合大小的计算
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。
比如
#includestdio.h
union Un1
{char c[5];int i;
};
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)); //结果为 8printf(%d\n, sizeof(union Un2)); //结果为 16return 0;
}今天的分享就到这里了感谢你的阅读如果你有任何疑问或者想分享你的经验请在下方留言我会非常乐意与你讨论。
