C语言自定义类型详解 位段+(联合体,枚举)

简介: C语言自定义类型详解 位段+(联合体,枚举)

一:位段

1.位段的含义与注意事项

什么是位段
位段的声明和结构体是类似的,有两个不同:
1.位段的成员必须是 int、unsigned int 或signed int或char(属于整形家族)
2.位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
3.位段:设置成员大小的单位是bit,而非byte, 1byte == 8bit
例如:
struct A
{
 char _a:2;
 char _b:5;
 char _c:1;
 char _d:3;
};

2.位段的内存分配

1. 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
2. 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。
3. 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。

对于上述结构体A,我们可以计算一下它的大小

struct A
{
 char _a:2;
 char _b:5;
 char _c:1;
 char _d:3;
};
int main()
{
  printf("%d\n",sizeof(struct A));//2
}
> 1.因为该结构体的成员都是char类型,所以位段的空间是按照1个字节(char)的方式来开辟的
> 2.我们使用sizeof操作符后发现A的大小是2个byte 
> 3.具体开辟方式:A先申请一个字节的空间,即8个bit位,这8个bit位存放了_a,_b,_c这三个成员
> A又申请了一个字节的空间即8个bit位,这8个bit位存放了_d这一个成员
> 因此得出2个字节

下面我们再来看一下int类型的位段大小

struct B
{
  int _a : 2;
  int _b : 5;
  int _c : 10;
  int _d : 30;
};
B
1.一开始申请一个int类型的空间4个字节,即32个bit位,容纳了_a,_b,_c这三个成员
2.然后又申请了一个int类型的空间4个字节,即32个bit位,容纳了_d这个成员
3.在这里我们发现,第一次申请的空间中还有32-17==15个字节,
而这15个字节是无法容纳身为30个字节的_d的,
那么这15个字节到底是浪费了呢还是归到了_d中呢?
4.答案是: 当一个结构体包含两个位段,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
也就是C语言官方的标准并未规定是舍弃还是利用,因此不同编译器的处理方式也不同
不过我们可以自己在我们的编译器上测试一下,下面我们给大家测试一下VS2022编译器对于舍弃/利用的处理方式

3.VS2022对于位段的处理方式

struct C
{
  char a : 3;
  char b : 4;
  char c : 5;
  char d : 4;
};
1.如果利用旧空间:
则只需开辟2个字节
第一个字节: a b 还剩一个bit
c往剩下的一个bit位中存放了一个bit位的数据,c还剩4个bit位的数据没有存放
第二个字节:c d 共8个bit,正好存放完全
2.如果舍弃旧空间:
则需要开辟3个字节
第一个字节: a b 还剩一个bit舍弃
第二个字节:c 还剩3个bit舍弃
第三个字节:d 
int main()
{
  int ret = sizeof(struct C);
  if (ret == 2)
  {
    printf("VS下利用旧空间\n");
  }
  else
  {
    printf("sizeof(struct B)为%d个字节\n", ret);//3
    printf("VS下开辟新空间\n");
  }
  return 0;
  //也就是说在VS编译器下:
  //位段不够了的话直接开辟新空间,不会在原空间上继续用
}

从中可以看出,VS编译器下是舍弃旧空间的

4.VS2022对于位段的具体数据存储方式

我的电脑采用的是小端存储方式,关于大小端存储的问题,大家可以看我的另一篇博客:C语言数据存储深度剖析

struct C
{
  char a : 3;
  char b : 4;
  char c : 5;
  char d : 4;
};
结构体C的大小为3个字节
int main()
{
  struct C c = { 0 };
  c.a = 10;
  c.b = 12;
  c.c = 3;
  c.d = 4;
  //我们先认为是这样存放的,最后进行调试验证
  //C:3字节
  //0000 0000 0000 0000 0000 0000
  //第一个字节:b a  0110 0010  
  //第二个字节:c    0000 0011
  //第三个字节:d    0000 0100
  //a 10: 1010  只拿低字节010
  //b 12: 1100  拿 1100
  //c 3:  0011 凑齐5个bit:00011
  //d 4:  0100 拿 0100
  //第一个字节:b a  0110 0010  6 2
  //第二个字节:c    0000 0011  0 3
  //第三个字节:d    0000 0100  0 4
  // 6 2 0 3 0 4
  //通过调试->内存验证正确
  //也就是说在VS编译器下:
  //位段是从低位向高位逐步使用的,而且不够了的话直接开辟新空间,不会在原空间上继续用
  return 0;
}

下面我们画图给大家分析一下

下面我们调试给大家证明一下

5.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

二:联合体

1.联合体类型的定义

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,特征是这些成员共用同一块空间(所以联合也叫共用体)。
定义方式示例如下
union Un1
{
  char c;
  int i;
};

2.联合体类型的特点

union Un1
{
  char c;
  int i;
};
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(union Un1));
  union Un1 un = { 0 };
  printf("%p\n", &un);
  printf("%p\n", &(un.i));
  printf("%p\n", &(un.c));
  //0000008E50CFFC74
  //0000008E50CFFC74
  //0000008E50CFFC74
  //所以:我们可以知道,联合体中成员会共用一块空间
  //i和c共同占用同一块空间,改i就改c,改c就改i
  return 0;
}

3.联合体类型的应用-判断大小段存储方式

int check_sys1()
{
  int a = 1;
  return *(char*)&a;
}
int check_sys2()
{
  union Un
  {
    int i;
    char c;
  }un;
  un.i = 1;
  return un.c;
}
int main()
{
  int ret = check_sys1();
  if (ret == 1)
  {
    printf("小端存储\n");
  }
  else
  {
    printf("大端存储\n");
  }
  ret = check_sys2();
  if (ret == 1)
  {
    printf("小端存储\n");
  }
  else
  {
    printf("大端存储\n");
  }
}
第一种方式在我的另一篇博客:C语言数据存储深度剖析中介绍过
第二种方式是利用了联合体的特点
两种方式本质相同

下面给大家画图分析一下

4.联合体类型的大小计算

1.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)。
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。

例如:

方法:

1.先找到最大成员并计算出最大成员的大小

2.计算出最大对齐数

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

Linux中没有默认对齐数,对齐数就是成员自身的大小

3.调整第一步计算出的大小,使调整后的大小为该对齐数的整数倍

union Un2
{
  char c[5];//大小:5 对齐数:1
  int i;//大小:4  对齐数:4
};
union Un3
{
  short c[7];//大小:14 对齐数:2
  int i;//大小:4 对齐数:4
};
注意数组的对齐数看数组中元素的数据类型的大小
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(union Un2));//8
  printf("%d\n", sizeof(union Un3));//16
  return 0;
}

三: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:

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。

1.枚举类型的定义

同宏定义常量相似,枚举常量一般也用大写字母去表示

enum Sex//性别
{
 MALE,
 FEMALE,
 SECRET
};
enum Color//颜色
{
 RED,
 GREEN,
 BLUE
};

以上定义的 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,依次递增1,当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。

请注意:
枚举常量的类型是枚举常量
枚举类型就是枚举类型
整型就是整型
二者相互独立
不可混为一谈
enum Color
{
  RED,//0
  //枚举类型的可能取值,是枚举常量
  GREEN,//1
  BLUE//2
}
不过枚举常量的大小为4个字节
int main()
{
  enum Color c = BLUE;
  printf("%d\n", sizeof(c));//4
}

2.枚举的优点

为什么使用枚举?

我们可以使用 
#define 来定义常量,为什么非要使用枚举?
枚举的优点:
1. 增加代码的可读性和可维护性
2. 和#define定义的标识符相比,枚举有类型检查,更加严谨。
3. 便于调试
4. 使用方便,一次可以定义多个常量

实例:

void menu()
{
  printf("*****************************************\n");
  printf("*****   1.add       2.sub        ********\n");
  printf("*****   3.mul       4.div        ********\n");
  printf("*****         0.exit             ********\n");
  printf("*****************************************\n");
}
enum Option
{
  EXIT,
  ADD,
  SUB,
  MUL,
  DIV
};
int main()
{
  int input = 0;
  do
  {
    printf("请输入您的选择:");
    menu();
    scanf("%d", &input);
    switch (input)
    {
    case ADD:
      break;
    case SUB:
      break;
    case MUL:
      break;
    case DIV:
      break;
    case EXIT:
      break;
    default:
      printf("输入错误,请重新输入:");
      break;
    }
  } while (input);
}
//所以:通过枚举的使用,可以让代码可读性增加

以上就是C语言自定义类型详解(枚举,联合体)+位段的全部内容,希望能对大家有所帮助,谢谢!

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