前言
在C语言中，除了内置的基本数据类型（int、char、float、double等），我们还可以自己定义类型来组织复杂的数据。本章将详细介绍三种自定义类型：结构体、联合体和枚举，它们是C语言处理现实世界问题的核心工具。
第一部分 结构体
1. 结构体类型的声明
前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里稍微复习一下。
1.1 结构体回顾
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。
1.1.1 结构的声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
例如描述一个学生：
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
}; //分号不能丢
1.2 结构体变量的创建和初始化
#include <stdio.h>
struct Stu
{
char name[20];//名字
int age;//年龄
char sex[5];//性别
char id[20];//学号
};
int main()
{
//按照结构体成员的顺序初始化
struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };
printf("name: %s\n", s.name);
printf("age : %d\n", s.age);
printf("sex : %s\n", s.sex);
printf("id : %s\n", s.id);
//按照指定的顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "女" };
printf("name: %s\n", s2.name);
printf("age : %d\n", s2.age);
printf("sex : %s\n", s2.sex);
printf("id : %s\n", s2.id);
return 0;
}
1.3 结构的特殊声明
在声明结构的时候，可以不完全的声明。比如：
//匿名结构体类型
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;
struct
{
int a;
char b;
float c;
}a[20], *p;
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。
那么问题来了？
//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
p = &x;
警告： 编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，所以是非法的。匿名的结构体类型，如果没有对结构体类型重命名的话，基本上只能使用一次。
1.4 结构的自引用
在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？比如，定义一个链表的节点：
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？
仔细分析，其实是不行的，因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量，这样结构体变量的大小就会无穷的大，是不合理的。
正确的自引用方式：
struct Node
{
int data;
struct Node* next;
};
在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引入问题，看看下面的代码，可行吗？
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
答案是不行的，因为 Node 是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的，但是在匿名结构体内部提前使用 Node 类型来创建成员变量，这是不行的。
解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体了
typedef struct Node
{
int data;
struct Node* next;
}Node;
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。
2.1 对齐规则
首先得掌握结构体的对齐规则：
- 结构体的第1个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
- 从第2个成员变量开始，都要对齐到某个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 该成员变量大小的较小值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小
- 结构体总大小为最大对齐数（结构体中每个成员变量都有一个对齐数，所有对齐数中最大的）的整数倍。
- 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中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（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。
练习：
//练习1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
printf("%zu\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%zu\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
printf("%zu\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
printf("%zu\n", sizeof(struct S4));
2.2 为什么存在内存对齐?
大部分的参考资料都是这样说的：
- 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。假设一个处理器总是从内存中取8个字节，则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double类型的数据的地址都对齐成8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
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;
};
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
S1 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。
2.3 修改默认对齐数
#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对齐数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认
int main()
{
//输出的结果是什么？
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
结构体在对齐方式不合适的时候，我们可以自己更改默认对齐数。
3. 结构体传参
struct S
{
int data[1000];
int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{
printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{
print1(s); //传结构体
print2(&s); //传地址
return 0;
}
上面的 print1 和 print2 函数哪个好些？
答案是：首选 print2 函数。
原因：函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间和空间上的系统开销。如果传递一个结构体对象的时候，结构体过大，参数压栈的系统开销比较大，所以会导致性能的下陷。
结论：结构体传参的时候，要传结构体的地址。
4. 结构体实现位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。
4.1 什么是位段
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，在C99中位段成员的类型也可以选择其他整型家族类型，比如：char。
- 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如：
struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
A 就是一个位段类型。
那位段 A 所占内存的大小是多少？
printf("%d\n", sizeof(struct A));
4.2 位段的内存分配
- 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int 或者是 char 等类型。
- 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。
//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？
4.3 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。
总结： 跟结构相比，位段可以达到同样的效果，并且可以很好的节省空间，但是有跨平台的问题存在。
4.4 位段的应用
下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样网络传输的数据报大小也会较小一些，对网络的畅通是有帮助的。
4.5 位段使用的注意事项
位段的几个成员共有同一个字节，这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置，那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址，一个字节内部的bit位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使用 & 操作符，这样就不能使用 scanf 直接给位段的成员输入值，只能是先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。
struct A
{
int _a : 2;
int _b : 5;
int _c : 10;
int _d : 30;
};
int main()
{
struct A sa = {0};
scanf("%d", &sa._b);//这是错误的
//正确的示范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = b;
return 0;
}
第二部分 联合体
1. 联合体类型的声明
像结构体一样，联合体也是由一个或者多个成员构成，这些成员可以是不同的类型。联合体的关键字是 union。
但是编译器只为最大的成员分配足够的内存空间。联合体的特点是所有成员共用同一块内存空间。 所以联合体也叫：共用体。
给联合体其中一个成员赋值，其他成员的值也跟着变化。
#include <stdio.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 = {0};
//计算两个变量的大小
printf("%d\n", sizeof(un));
return 0;
}
输出的结果：
4
为什么是4呢？因为联合体所有成员共用同一块内存空间，大小由最大成员决定（int 占4字节）。
2. 联合体的特点
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）。
//代码1
#include <stdio.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 = {0};
// 下面输出的结果是一样的吗？
printf("%p\n", &(un.i));
printf("%p\n", &(un.c));
printf("%p\n", &un);
return 0;
}
//代码2
#include <stdio.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 = {0};
un.i = 0x11223344;
un.c = 0x55;
printf("%x\n", un.i);
return 0;
}
代码1输出的三个地址一模一样（都是 001AF85C），代码2的输出，我们发现将 i 的第4个字节的内容修改为 55 了（输出 11223355）。
我们仔细分析就可以画出 un 的内存布局图。
3. 相同成员的结构体和联合体对比
我们再对比一下相同成员的结构体和联合体的内存布局情况。
struct S
{
char c;
int i;
};
struct S s = {0};
union Un
{
char c;
int i;
};
union Un un = {0};
结构体中，每个成员拥有独立的内存空间，总大小为各成员大小之和（含对齐填充）；联合体中，所有成员共用同一块内存，大小仅由最大成员决定。
4. 联合体大小的计算
- 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。
#include <stdio.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));
printf("%d\n", sizeof(union Un2));
return 0;
}
使用联合体是可以节省空间的，举例：
比如，我们要搞一个活动，要上线一个礼品兑换单，礼品兑换单中有三种商品：图书、杯子、衬衫。每一种商品都有：库存量、价格、商品类型和商品类型相关的其他信息。
- 图书：书名、作者、页数
- 杯子：设计
- 衬衫：设计、可选颜色、可选尺寸
那我们不耐心思考，直接写出以下结构：
struct gift_list
{
//公共属性
int stock_number;//库存量
double price; //定价
int item_type;//商品类型
//特殊属性
char title[20];//书名
char author[20];//作者
int num_pages;//页数
char design[30];//设计
int colors;//颜色
int sizes;//尺寸
};
上述的结构其实设计的很简单，用起来也方便，但是结构的设计中包含了所有礼品的各种属性，这样使得结构体的大小就会偏大，比较浪费内存。因为对于礼品兑换单中的商品来说，只有部分属性信息是常用的。比如：商品是图书，就不需要 design、colors、sizes。
所以我们就可以把公共属性单独写出来，剩余属于各种商品本身的属性使用联合体起来，这样就可以减少所需的内存空间，一定程度上节省了内存。
struct gift_list
{
int stock_number;//库存量
double price; //定价
int item_type;//商品类型
union {
struct
{
char title[20];//书名
char author[20];//作者
int num_pages;//页数
}book;
struct
{
char design[30];//设计
}mug;
struct
{
char design[30];//设计
int colors;//颜色
int sizes;//尺寸
}shirt;
}item;
};
5. 联合的一个练习：判断大小端
写一个程序，判断当前机器是大端？还是小端？
int check_sys()
{
union
{
int i;
char c;
}un;
un.i = 1;
return un.c;//返回1是小端，返回0是大端
}
第三部分 枚举类型
1. 枚举类型的声明
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
- 三原色，也是可以一一列举
这些数据的表示就可以使用枚举了。
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，依次递增1，当然在声明枚举类型的时候也可以赋初值。
enum Color//颜色
{
RED=2,
GREEN=4,
BLUE=8
};
2. 枚举类型的优点
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
- 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号
- 使用方便，一次可以定义多个常量
- 枚举常量是遵循作用域规则的，枚举声明在函数内，只能在函数内使用
3. 枚举类型的使用
enum Color//颜色
{
RED=1,
GREEN=2,
BLUE=4
};
enum Color clr = GREEN;//使用枚举常量给枚举变量赋值
那是否可以拿整数给枚举变量赋值呢？在C语言中是可以的，但是在C++是不行的，C++的类型检查比较严格。
结语
结构体、联合体和枚举是C语言中三种重要的自定义类型，它们各有分工：
- 结构体：将不同类型的数据组合在一起，每个成员拥有独立的内存空间，适合描述"拥有哪些属性"的实体（如学生信息、礼品兑换单）。
- 联合体：所有成员共用同一块内存空间，适合"同一时刻只需要一种用途"的场景，能有效节省内存。结构体与联合体的对比，核心就在于"各自独立"vs"共用内存"。
- 枚举：将一组常量组织在一起，增加代码可读性，比 #define 更安全（有类型检查、可调试）。
理解这三种类型的内存布局差异，是掌握C语言自定义类型的关键。结构体看"空间分配"，联合体看"内存重叠"，枚举看"常量管理"——掌握了这三条线，自定义类型就彻底通了。
