【C语言】自定义类型：联合体和枚举

一、联合体(共同体)

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
   联合体的特点是所有成员共⽤同⼀块内存空间，所以联合体也叫共同体，由于所有成员共用一块空间，所以编译器只为最⼤的成员分配足够的内存空间 ，并且当给联合体其中⼀个成员赋值时，其他成员的值也跟着变化，我们后面也会讲到
   现在我们从联合体类型的声明开始学习，它的声明也和结构体的声明相似，结构体声明时使用struct关键字，而联合体声明时使用union关键字，如下：

union un
{char c;int i;
};

   它创建变量的方式和结构体都是类似的，如下：

union un
{char c;int i;
};int main()
{union un s;return 0;
}

   其它语法知识点和结构体都是类似的，这里就不再多讲了，接着学习联合体的特点，也可以说是结构体和联合体的区别之处
   如果还没有学习结构体，可以参考文章：【C语言】自定义类型：结构体

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（因为联合体至少得有能力保存最大的那个成员）

测试1

   现在我们来做个测试，测试一下联合体成员的地址是否相同，以及联合体本身的地址和它成员地址的关系，如下代码：

#include <stdio.h>union Un
{char c;int i;
};
int main()
{union Un un = { 0 };printf("%p\n", &(un.i));printf("%p\n", &(un.c));printf("%p\n", &un);return 0;
}

   接着我们运行它，来看看它们三个地址的关系：

   可以看到，联合体成员的地址是相同的，并且联合体本身也和联合体成员的地址相同，基本上就可以说明，联合体开辟空间时，所有成员共用一块空间

测试2

   接下来我们再举一个例子来测试联合体的空间是否是共用的，如下：

#include <stdio.h>union Un
{char c;int i;
};int main()
{union Un un = { 0 };un.i = 0x11223344;un.c = 0x55;printf("%x\n", un.i);return 0;
}

   试着分析这个代码最后的运行结果，一定要先自己试着分析，然后再看答案
我们来看分析：首先前面声明了一个联合体类型Un，然后使用它创建了一个联合体变量un，随后将其初始化为了0
   然后进行了两次赋值，给i赋值了16进制数11223344，把c赋值为了16进制数55，如果i和c共用相同的空间，那么我们在更改c的时候，i应该也会跟着改变，我们来看看内存里的存储：
   这是初始化完i时，结构体内存的存储：

   可以看到，这里VS用小端字节序的方式将i存放到了内存中，如果不知道什么是小端字节序，可以参考该文章：【C语言】数据在内存中的存储(万字解析)
   现在已经把i存放进内存了，代码下一步就是将c改成16进制数55，那我们看看i会不会跟着一起改变：

   可以看到内存中i的第一个字节被修改为了55，说明更改c确实连带着把我们的i更改了，我们可以画一个图来更清楚的阐述这个变化过程：

   所以在这个联合体中，我们可以分析得到：整型变量i和字符变量c占据同一块空间，而c占据的就是i的第一个字节，当我们对c进行修改时，也就是对i第一个字节的修改，所以当我们把c修改为0x55时，i也就跟着改变了
   我们来看看代码的运行结果：

   可以看到，程序的运行结果与我们分析的一致，所以根据这个例子，我们再一次证明了联合体的成员共用一段相同的空间

3.联合体大小的计算

   我们首先来看联合体在存储时的两个规则：

1. 联合体的大小至少是最⼤成员的大小，确保联合体的大小可以装下每一个单一成员
2. 当最⼤成员大小不是最大对齐数的整数倍的时候，就要对⻬到最⼤对⻬数的整数倍

例1

   还是老方法，实践出真知，我们举一个例子来说明这两条规则：

#include <stdio.h>union Un1
{char c[5];int i;
};int main()
{//下⾯输出的结果是什么？printf("%d\n", sizeof(union Un1));return 0;
}

   我们首先看第一条规则：联合体的大小至少是最大成员的大小，而我们这里的联合体Un1它最大的成员是c，是一个字符数组，大小是5个字节，所以根据第一条规则，这个联合体的大小至少是5个字节
   然后就是第二条规则，这条规则需要查看这个联合体中的最大对齐数，联合体的大小必须是最大对齐数的倍数，而联合体成员c的对齐数为1，成员i的对齐数为4，所以可以知道该联合体最大对齐数为4
   根据第一条规则我们知道了联合体Un1的大小至少是5个字节，根据第二条规则我们知道了Un1的大小必须是4的倍数，所以综和这两点，答案已经呼之欲出：结构体Un1的大小是8个字节
   最后我们来看看代码运行结果：

例2

#include <stdio.h>union Un2
{short c[7];int i;
};int main()
{//下⾯输出的结果是什么？printf("%d\n", sizeof(union Un2));return 0;
}

   通过例1，我们已经知道两个规则具体的作用了，现在我们做这个题应该是比较简单的，但是我们还是像例1那样仔细分析一下：
   首先根据第一条规则，我们要看成员中，谁最大，很明显最大的就是c数组，占据14个字节，所以联合体Un2至少都有14个字节
   然后来看第二个规则，我们要看成员中的最大对齐数，第一个成员c的对齐数是2，第二个成员的对齐数是4，所以联合体Un2的最大对齐数是4，它的大小应该是4的倍数
   所以综上两个规则，联合体Un2的大小至少14个字节，还要是4的倍数，所以联合体Un2的大小为16个字节，我们来看看运行结果：

4.联合体小练习

   使用联合体写⼀个程序，判断当前机器是大端字节序还是小端字节序
   我们先复习一下之前采用的方法，方便我们思考这道题，是创建一个整型变量，赋值为1，然后将它的地址强制转换为字符类型存放起来，然后通过这个字符指针去访问整型变量的第一个字节，看看拿到的是否是1
   如果是1说明是小端字节序，是0就是大端字节序，这里再放一下它的代码，如下：

#include <stdio.h>int main()
{int a = 1;char* p = (char*)&a;if (*p == 1)printf("小端字节序\n");elseprintf("大端字节序\n");return 0;
}

运行结果：

   接下来我们就来看如何使用联合体实现这个功能
   其实很简单，上面案例的本质就是利用指针来访问整型a的第一个字节，而我们的联合体本身就可以做到这一点
   只要在联合体中创建一个整型成员a，创建一个字符型成员c，由于共用空间，那么c就可以直接访问a的第一个字节
   接着我们就照着上面那个案例的思路，用联合体实现一下，如下：

#include <stdio.h>union Un
{int a;char c;
};int main()
{union Un un;un.a = 1;if (un.c == 1)printf("小端字节序\n");elseprintf("大端字节序\n");return 0;
}

运行结果：

5.结构体和联合体内存占用的对比

   我们来简单对比一下同样的成员下，结构体和联合体内存占用的情况，如下例：

struct S
{char c;int i;
};union Un
{char c;int i;
};

   我们来画图看看它们在内存中的占用情况：

   可以看到，和结构体对比，联合体非常节省空间，那么联合体改一个成员另一个成员跟着变了，到底该用在什么时候呢？我们继续学习

6.联合体的应用

   联合体在使用时可以节省空间，所以我们要学习什么情况下使用联合体，而不是使用结构体
   由于它的特性，所以我们应该也能想到它的应用，那就是应用在整个联合体一次性只会出现一个成员的情况下，只要我们在同一时刻只使用一个成员，那么就算把其它成员改变了也没有影响
   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，如下：

• 图书：书名、作者、⻚数
• 杯⼦：设计
• 衬衫：设计、可选颜⾊、可选尺寸

   在不思考的情况下，我们可以直接写出以下结构：

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;//⻚数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，这样就可以介绍所需的内存空间，⼀定程度上节省了内存，如下：

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;//⻚数}book;struct{char design[30];//设计}mug;struct{char design[30];//设计int colors;//颜⾊int sizes;//尺⼨}shirt;}item;
};

   这里我们将这个礼品兑换单整体用结构体存储，其中公共部分就直接当作成员定义进去，其它特殊属性就统一放在一个联合体里面，在联合体里面就把图书、杯子、衬衫分别弄成结构体
   在这个联合体里面的成员就是三个结构体，它们共用同一段空间，而在同一时刻我们只会使用其中一个进行描述，所以不会有影响，最后达到了节省空间的目的

二、枚举

1.枚举类型的声明

   枚举顾名思义就是⼀⼀列举，可以把所有可能的取值⼀⼀列举出来，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，也可以⼀⼀列举
• 三原⾊，也是可以一一列举

   所以枚举也就是一一列举的意思，而枚举类型的声明和结构体以及联合体的声明相似，但是关键字是enum，接下来我们就来把我们举出的枚举例子一一实现出来，如下：

enum Day//星期
{Mon,Tues,Wed,Thur,Fri,Sat,Sun
};enum gender//性别
{MALE,FEMALE,
}；enum Color//三原色
{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
   这些枚举常量都是有值的，默认从0开始，依次递增1，我们可以打印出来看看：

#include <stdio.h>enum color
{RED,GREEN,BLUE
};int main()
{printf("%d %d %d", RED, GREEN, BLUE);return 0;
}

运行结果：

那么我们能不能在开始的时候就给它赋值呢？当然可以，如下：

enum Color
{RED = 2,GREEN = 4,BLUE = 8
};

接着我们再来打印一下它们的值

   这就是自定义结构：枚举，里面的成员又叫枚举常量，是无法更改的，一般用来将这些值赋值给其它变量

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来定义枚举常量？我们可以来看看枚举的优点：

1. 增加代码的可读性和可维护性，比如我们想用数字0表示男，数字1表示女，那么写出来就不好理解，如果用枚举中MALE表示男，同时底层代表0，就具有更高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. 便于调试，预处理阶段会删除 #define 定义的符号，这个在后面的预处理详解我们会讲到
4. 使⽤⽅便，⼀次可以定义多个常量
5. 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，而#define定义的常量是全局变量

所以枚举也是有它自己的优点的

3.枚举类型的使用

   在使用枚举时，我们会创建一个枚举变量，然后用枚举类型中的枚举常量给它赋值，如下：

#include <stdio.h>enum Color
{RED = 1,GREEN = 2,BLUE = 4
};int main()
{enum Color clr = GREEN;return 0;
}

   我们今天要学习的联合体（共同体）以及枚举就到此结束了，是否是有很大收获呢？如果文章内容有误请及时联系我，非常感谢
   当然如果有什么关于这篇博客的疑问，可以在评论区或者私信提问，一定会及时回答
   那么今天就到这里，bye~