【C语言】深入理解C语言中的自定义数据类型：struct、union与enum

前言

C语言中，结构体（struct）、共用体（union）和枚举（enum）是三种常见的自定义数据类型，可以组织多个不同类型的变量为一个单一的复合类型，提高代码的可读性和组织性。

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1. struct —— 结构体

结构体（struct）是C语言中最常用的复合数据类型之一。它可以将多个不同类型的变量组织在一起，形成一个新的类型。结构体的变量可以包含不同的数据类型，这使得它非常适合描述一些复杂对象。

1.1 结构体的定义与声明

定义结构体时，我们使用struct关键字，后面跟上结构体的名称，并定义其内部包含的成员。

struct Person {char name[50];int age;float height;
};

在上面的示例中，Person是一个结构体类型，它包含三个成员：name（字符串类型）、age（整数类型）和height（浮点数类型）。

1.2 声明结构体变量

定义完结构体类型后，我们可以在程序中声明变量并对其进行操作。

struct Person person1;
person1.age = 25;
person1.height = 5.9;
strcpy(person1.name, "John");

1.3 结构体的内存布局

结构体内存是按顺序分配的，但由于不同类型的变量可能具有不同的对齐要求，编译器通常会在成员之间插入填充字节，以确保每个成员的地址按照其对齐要求正确存放。内存布局的大小也受到这些填充字节的影响。

1.4 使用typedef简化结构体定义

在C语言中，结构体类型可以通过typedef进行简化，避免在声明变量时重复写struct关键字。

typedef struct {char name[50];int age;float height;
} Person;Person person2;  // 不需要再写 struct

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2. union —— 共用体

共用体（union）与结构体非常相似，但它的每个成员共享同一段内存区域。这意味着，在任何时候，union类型变量只有一个成员能够存储数据，而其他成员的数据会被覆盖。这使得union在节省内存空间时非常有用，尤其是在存储不同类型数据时，只需要考虑当前使用的数据类型大小。

2.1 定义与声明共用体

union Data {int i;float f;char str[20];
};

在这个例子中，union Data可以存储整数、浮点数或字符串，但它们共享同一内存区域，任何时候只能保存其中一个。

2.2 共用体的使用

union Data data1;
data1.i = 10;
printf("data1.i: %d\n", data1.i);data1.f = 220.5;
printf("data1.f: %f\n", data1.f);strcpy(data1.str, "Hello, World!");
printf("data1.str: %s\n", data1.str);

注意，在上述代码中，先存储的整数i会被浮点数f覆盖，浮点数f又会被字符串str覆盖。因此，共用体中的成员是互斥的。

2.3 共用体的内存布局

共用体的内存大小是其最大成员大小，也就是说，它的内存大小取决于最大成员的大小。例如，union Data的内存大小为sizeof(char[20])，即20个字节，因为str是共用体中最大的一项。

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3. enum —— 枚举

枚举（enum）是一种为整型变量定义一组符号常量的方式。它允许我们为某些固定的值设置有意义的名称，使代码更加易读和维护。

3.1 定义与声明枚举

enum Weekday {Monday = 1,Tuesday,Wednesday,Thursday,Friday,Saturday,Sunday
};

在这个例子中，enum Weekday为一周的7天定义了符号常量。默认情况下，Monday的值是1，接下来的天数自动递增。

3.2 使用枚举

enum Weekday today = Wednesday;
if (today == Wednesday) {printf("Today is Wednesday\n");
}

通过枚举，我们可以使用有意义的名字代替数字，使代码更具可读性。

3.3 自定义枚举的值

我们还可以自定义枚举值的起始值和增量。

enum Color {Red = 10,Green = 20,Blue = 30
};

此时，Red的值为10，Green为20，Blue为30。

3.4 枚举的内存大小

枚举的底层实现是整数类型，通常为int，因此它的内存大小通常为sizeof(int)，但是在某些编译器中，可以通过typedef或强制类型转换来改变枚举的底层类型。

3.5 枚举的优缺点

优点	缺点
增强可读性：使用有意义的名字代替数字常量，使代码更易于理解。	内存消耗：枚举通常使用整数类型，可能会浪费内存。
类型安全：编译器会检查枚举值是否符合定义的类型范围。	缺少灵活性：枚举成员是静态的，不能动态添加或修改。
减少硬编码：通过为常量赋予名字，减少数字常量的硬编码。	与其他类型的兼容性差：枚举不能与其他类型（如 char 或 float）直接兼容。
自动赋值：枚举值会自动递增，简化赋值操作。	调试困难：调试时，枚举值通常显示为整数，难以识别具体含义。
提高代码可维护性：常量的名字增强了代码的自解释性，易于团队协作和后期维护。	无法直接进行运算：枚举值不能直接进行算术运算。

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4. struct、union 与 enum 的比较

特性	struct	union	enum
存储方式	每个成员都有独立内存空间	所有成员共享同一内存空间	每个枚举值都映射为一个整数值
内存大小	所有成员的内存大小之和	最大成员的内存大小	通常为整数类型的大小
使用场景	适用于描述包含不同类型的复合数据	适用于存储不同类型的数据，但每次只能存储一个值	适用于表示有限集合的常量值
成员类型	可以是任意类型	只能是简单类型（通常是基本数据类型）	必须是整型常量

我们对三者进行简单总结：

• struct用于将不同类型的数据组织成一个集合，适合存储复合数据。
• union允许多个成员共享同一块内存，可以节省空间，但每次只能保存一个成员的数据。
• enum为一组常量值提供更具可读性的名称，用于表示有限集合的值。