【C语言】结构体、联合体、枚举类型的字节大小详解

在C语言中，结构体（struct）和联合体（union） 是常用的复合数据类型，它们的内存布局和字节大小直接影响程序的性能和内存使用。下面为大家详细解释它们的字节大小计算方法，包括对齐规则、内存分配方式及代码示例分析。

结构体（struct）

结构体的定义：
  • 结构体是一种将多个类型的变量组合在一起的复合数据类型，每个成员都有自己的存储空间。
  • 每个成员按顺序存储。
  • 目的：创建新的类型，可面向对象编程，实例化一整个对象 —> 结构体。

语法：

 struct [标签] {成员属性1;成员属性2;成员属性3;成员属性4;};// 结构体的关键字 ： struct // 标签 可有 可无  // 一个个成员都是 分号 结尾

不带标签的定义：

struct {int a; int b; char c;};  // 有了新的类型
//定义该类型变量：
struct {int a; int b; char c;} xx;
//取别名：
typedef struct {int a; int b; char c;} yy_t;
yy_t zz;

带标签的定义：

struct point {int x; int y;}  // 创建了新的标签 
//定义类型：
struct point {int x; int y;} xx; // 创建了point标签，定义xx变量
// 使用标签：
struct point sp;   // 使用point标签，前提：必须要有point标签typedef  struct point {int x; int y;} qq_t; // 取了个新的别名叫qq_t , 同时 创建了标签 point 
qq_t x; // 使用新的别名类型 创建变量 x

注意事项：相同名字的标签 不可重复创建

为结构体成员赋值：

struct person 
{char name[20];int age;int sg;int tz;int cd;
};
struct person sp; 
// 当你拥有该类型 实例化 对象 ，取里面的成员，用 点(.)strcpy(sp.name,"jack");sp.age = 18;sp.sg = 180;sp.tz = 180;sp.cd = 18;
// 当你知道 该 实例化 对象 的地址的时候，取里面的成员 ，用 箭头 (->)
struct person *p = &sp;p->namep->agep->sgp->tzp->cdstruct person *xp = (struct person *)malloc(sizeof(struct person));xp->name xp->age

结构体初始化的三种形式：

struct person 
{char name[20];int age;int sg;int tz;int cd;
};
//第一种：struct person sp1 = {"jack",18, 180};struct person sp2 = {"jack",18, 180, 180, 18};
//第二种：(内核中结构体的初始化方式)struct person sp3 = {.name = "jack",.cd = 18,.sg = 180};
//第三种：struct person sp4 = {name:"jack",cd : 18,sg :180};
内存布局

字节对齐（Alignment）：

  • 在分配内存时，编译器会根据硬件架构的要求进行对齐（Alignment），确保变量的地址是其类型所需的对齐倍数。
  • 对齐规则：
    1. 每个成员的起始地址必须是其自身类型对齐要求的倍数。
    2. 结构体的总大小必须是最大对齐要求的倍数。

计算结构体的字节数：

> 结构体最终的字节数一定是 对齐字节数的 整数倍
> 在32操作系统中，最大4字节对齐
> 在64操作系统中，最大8字节对齐
> 取 结构体中 最大的 那个成员基本组成类型字节数 作为 对齐字节数 
> 每个成员的起始位置到结构体的起始位置之间的字节数 是 该成员 基本组成 字节数的 整数倍

影响结构体大小的因素：

  • 成员类型的对齐：
    • 不同数据类型的对齐要求可能不同（通常与数据类型的大小一致）。
    • 示例（32位系统）：
      • char：1字节对齐。
      • short：2字节对齐。
      • int、float：4字节对齐。
      • double：8字节对齐。
  • 编译器的填充（Padding）：
    • 为了满足对齐要求，结构体成员之间可能会插入填充字节（Padding）。
    • 结构体的总大小也会填充到最大对齐要求的倍数。
  • 最大对齐要求：
    • 结构体总大小必须是其最大成员对齐要求的倍数。

内存布局详情：

struct xx
{long long ll;char c;int *p;char name[21];short s;double d;float f;short x;
};

64位系统下结构体的字节数
32位系统下的结构体
32位系统下的结构体字节数

也可以人为设定对齐字节数 ：

在32操作系统中，最大4字节对齐
在64操作系统中，最大8字节对齐#pragma pack(n)     n: 是2的幂次方  2^0   2^1 2^2  2^3

代码示例：
1：无填充字节

#include <stdio.h>struct S1 {char a;      // 1字节int b;       // 4字节
};int main() {printf("Size of S1: %lu\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

内存布局：

+---+---+---+---+
| a | P | P | P |  // char a (1字节) + 3字节填充
+---+---+---+---+
|       b       |  // int b (4字节)
+---+---+---+---+
  • char a 占 1 字节，但 int b 需要 4 字节对齐，因此插入 3 字节填充。
  • 总大小为 8 字节。
Size of S1: 8

2：多个对齐要求

#include <stdio.h>struct S2 {char a;      // 1字节double b;    // 8字节int c;       // 4字节
};int main() {printf("Size of S2: %lu\n", sizeof(struct S2));return 0;
}

内存布局：

+---+---+---+---+---+---+---+---+
| a | P | P | P | P | P | P | P |  // char a + 7字节填充
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|           b                   |  // double b (8字节)
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|       c       |   P   |   P   |  // int c (4字节) + 4字节填充
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  • char a 占 1 字节，double b 需要 8 字节对齐，因此插入 7 字节填充。
  • int c 需要 4 字节对齐，但结构体总大小需为 8 的倍数，因此插入 4 字节填充。
  • 总大小为 24 字节。
Size of S2: 24

3：改变成员顺序减少填充
调整示例 2 的成员顺序：

struct S3 {double b;    // 8字节int c;       // 4字节char a;      // 1字节
};

内存布局：

+---+---+---+---+---+---+---+---+
|           b                   |  // double b (8字节)
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|       c       |   a   |   P   |  // int c + char a + 3字节填充
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  • 调整成员顺序后，总大小为 16 字节，减少了填充字节。

输出：

Size of S3: 16

4. 结构体嵌套的字节大小
嵌套结构体会继承成员的对齐规则，可能导致额外的填充字节。（此处仅做简单介绍，详细分析请跳转至 结构体嵌套 文章，对结构体的嵌套有详细说明）

代码

#include <stdio.h>struct Inner {char a;      // 1字节int b;       // 4字节
};struct Outer {char c;      // 1字节struct Inner inner;  // 8字节（受对齐规则影响）double d;    // 8字节
};int main() {printf("Size of Inner: %lu\n", sizeof(struct Inner));printf("Size of Outer: %lu\n", sizeof(struct Outer));return 0;
}

内存布局：

Inner:
+---+---+---+---+---+
| a | P |   b       |
+---+---+---+---+---+Outer:
+---+---+---+---+---+---+---+---+
| c | P |   Inner (8字节)       |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|               d               |
+---+---+---+---+---+---+---+---+

Inner 的大小为 8 字节（对齐到 4 的倍数）。
Outer 的最大对齐要求是 double d 的 8 字节，总大小为 24 字节。

输出：

Size of Inner: 8
Size of Outer: 24

联合体（union）

联合体的定义：
  • 联合体的所有成员共享同一块内存空间。
  • 联合体的大小取决于其最大成员的大小。
  • 联合体的对齐要求由最大成员的对齐要求决定。

语法：

union [标签] {成员属性;成员属性;成员属性;成员属性;
};

定义：

union {int a;short b;char c;
}   // 联合体 类型 typedef union {int a; short b; char c;} xx_t;//取别名
xx_t y;union qq{int a; short b; char c;}  // 有了新的联合体类型，并创建了新的标签
union qq xq;

赋值：

typedef union {int a; short b; char c;} xx_t;
xx_t y;y.a = 10; //同结构体一样
(&y)->b = 20;

联合体的存储(字节数如何计算)：

  • 取占用空间最大的成员字节数作为基础字节数。
  • 最终的字节数一定是 每个成员基本组成类型字节数的整数倍。
union xx
{char name[20];long long ll;double d;int *p;short s;
};

示例代码中联合体的大小取决于其最大成员 char name[20];，所以大小为20字节。
联合体占用的字节大小
代码：
1：简单联合体

#include <stdio.h>union U1 {char a;      // 1字节int b;       // 4字节double c;    // 8字节
};int main() {printf("Size of U1: %lu\n", sizeof(union U1));return 0;
}

+---+---+---+---+---+---+---+---+
|               c               |  // double c (8字节)
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  • 这个联合体的大小取决于其最大成员 double c，所以大小为 8 字节。

输出：

Size of U1: 8

2：联合体的对齐

#include <stdio.h>union U2 {char a;      // 1字节int b;       // 4字节short c;     // 2字节
};int main() {printf("Size of U2: %lu\n", sizeof(union U2));return 0;
}

内存布局：

+---+---+---+---+
|       b       |  // int b (4字节)
+---+---+---+---+
  • 联合体的最大成员是 int b（4 字节），所以联合体的大小为 4 字节。

输出：

Size of U2: 4

枚举类型（enum）

定义：枚举类型（enum）是C语言中定义一组命名整型常量的方法，用于表示一组离散的、有意义的值。 它是C语言的基本类型之一，主要用于提高代码的可读性和可维护性。

定义有些抽象，不太易于理解，用大白话翻译一下就是：① 结构体是把不同的成员捆绑在一起，形成一个新的类型，方便于面向对象编程，适用于实例化对象使用。② 联合体也是创建一个新的类型，只不过它的成员是共用一块空间，而结构体成员是分别使用空间。③ 枚举类型则是用于限制取值范围的。

语法：

enum [标签] {枚举常量,枚举常量,枚举常量,枚举常量,枚举常量
};
  • 枚举常量： 枚举常量是int型的常量，在使用int类型的任何地方都可以使用它。
  • 默认值： 没有特定指出常量值时，枚举列表中的常量被指定为整数值0、1、2等，依次递增。
  • 指定值： 可以选择常量具有的整数值，后面的常量会被赋予后续的值。

定义：

enum {XX,YY,ZZ,QQ,TT}  // 4个字节 enum {XX,YY,ZZ,QQ,TT} xy = XX;typedef  enum {XX,YY,ZZ,QQ,TT} hh_t;带标签：
enum Weekday {MON, TUE, WEN, THU, FRI,SAT, SUN};
MON : 0  ---> 依次往后加1 //枚举常量的值 下面的代码块中会进一步详细说明enum Weekday {MON=10,TUE, WEN, THU=100, FRI,SAT, SUN};  //这个类型 4个字节 
enum Weekday yy =  WEN;//赋值：只能在枚举类型中限定的范围内查找//枚举和 typedef：通过 typedef 为枚举类型定义别名，简化代码
typedef enum Weekday {MON=10,TUE, WEN, THU=100, FRI,SAT, SUN} week_t;void fun(week_t xx)
{}
fun(MON);//从此之后，此函数中的传值被限制了范围，只能在 enum Weekday中查找。

写一个示例代码，详细讲述一下枚举类型的使用场景：

enum 枚举类型名 {枚举常量1,枚举常量2,枚举常量3,...
};
  • enum：枚举类型的关键字。
  • 枚举类型名/[标签]：可选，表示该枚举的类型名称。
  • 枚举常量：一组用逗号分隔的命名常量，默认从 0 开始递增（可以手动指定值）。

使用：

#include <stdio.h>// 定义枚举类型
enum Color {RED,    // 默认值 0GREEN,  // 默认值 1BLUE    // 默认值 2
};int main() {enum Color myColor;  // 声明枚举变量myColor = GREEN;     // 给枚举变量赋值printf("My color is: %d\n", myColor);  // 输出枚举变量的值return 0;
}

输出：

My color is: 1
枚举常量的值

默认值

  • 枚举常量的值从 0 开始，依次递增。
  • 如果手动为某个枚举常量指定值，则后续常量的值在此基础上递增。

手动指定值

#include <stdio.h>// 定义枚举类型，并手动指定值
enum Weekday {MONDAY = 1,    // 指定为 1TUESDAY,       // 自动递增为 2WEDNESDAY = 5, // 指定为 5THURSDAY,      // 自动递增为 6FRIDAY         // 自动递增为 7
};int main() {printf("MONDAY = %d\n", MONDAY);printf("TUESDAY = %d\n", TUESDAY);printf("WEDNESDAY = %d\n", WEDNESDAY);printf("THURSDAY = %d\n", THURSDAY);printf("FRIDAY = %d\n", FRIDAY);return 0;
}

输出：

MONDAY = 1
TUESDAY = 2
WEDNESDAY = 5
THURSDAY = 6
FRIDAY = 7

枚举值的重复： 枚举常量可以有重复的值。

enum Example {A = 1,B = 1,  // B 和 A 的值相同C = 2
};
匿名枚举
  • 如果不需要为枚举类型定义名字，可以使用匿名枚举。
  • 枚举常量会成为全局常量，直接使用。

代码

#include <stdio.h>enum {SUCCESS = 0,FAILURE = -1
};int main() {printf("SUCCESS = %d\n", SUCCESS);printf("FAILURE = %d\n", FAILURE);return 0;
}

输出：

SUCCESS = 0
FAILURE = -1
枚举类型的大小
  • 枚举变量的本质：
    • 枚举类型在底层是一个整数类型，通常是 int（具体大小取决于编译器）。
  • 内存大小：
    • 一个枚举变量的大小与 int 相同（4字节或8字节，取决于平台）。

代码

#include <stdio.h>enum Example {A = 1,B,C
};int main() {printf("Size of enum: %lu bytes\n", sizeof(enum Example));return 0;
}

输出（在 64 位系统上）：

Size of enum: 4 bytes
枚举类型的限制和注意事项

枚举变量的类型：

  • 枚举类型的底层是整型，因此可以与整数进行比较或赋值。
  • 但这种用法可能会降低代码的可读性。

代码说明

#include <stdio.h>enum Color {RED,GREEN,BLUE
};int main() {enum Color myColor;myColor = 1;  // 虽然可以赋值为整数，但不推荐printf("My color is: %d\n", myColor);return 0;
}

输出：

My color is: 1
//注意：虽然语法上允许，但这样会破坏枚举的意义。建议始终使用枚举常量赋值。

枚举类型的范围： 枚举常量的值不能超过整型的表示范围，其本质是个 int 常量。如果枚举值太大，可能会导致编译器警告或错误。
枚举和类型安全： C语言中的枚举并不强制类型安全。枚举变量可以被赋值为任何整数值，编译器不会报错。

枚举类型的作用
  1. 提高可读性：枚举类型使用有意义的命名代替魔法数字（Magic Numbers）。例如，使用 RED 代替数字 0，提高代码可读性。
  2. 提高可维护性：如果枚举的值发生变化，只需修改枚举定义，而不用修改其他代码。
  3. 限制变量取值范围：枚举变量只能取定义的枚举常量值，避免了非法值的使用。
枚举的高级用法

最后举 2 种枚举类型在编程中的常用场景：
1. 枚举结合 switch 语句使用： 枚举常常与 switch 语句结合使用，方便处理多个分支逻辑。

代码片：

#include <stdio.h>enum State {OFF,ON,SUSPEND
};int main() {enum State deviceState = ON;switch (deviceState) {case OFF:printf("Device is OFF.\n");break;case ON:printf("Device is ON.\n");break;case SUSPEND:printf("Device is in SUSPEND mode.\n");break;default:printf("Unknown state.\n");}return 0;
}

输出：

Device is ON.

2. 枚举用于位标志： 枚举可以用于定义位标志，方便对多个状态进行位操作。

代码片：

#include <stdio.h>enum Permission {READ = 1 << 0,  // 0001WRITE = 1 << 1, // 0010EXECUTE = 1 << 2 // 0100
};int main() {int permission = READ | WRITE;  // 组合权限if (permission & READ) {printf("Read permission is granted.\n");}if (permission & WRITE) {printf("Write permission is granted.\n");}if (permission & EXECUTE) {printf("Execute permission is granted.\n");}return 0;
}

输出：

Read permission is granted.
Write permission is granted.

综上。需要简单记住的是：
1. 结构体大小计算规则

  1. 每个成员按其对齐要求分配地址。
  2. 结构体总大小对齐到最大对齐要求的倍数。
  3. 填充（Padding）字节会增加结构体大小。

2 联合体大小计算规则

  1. 联合体的大小由最大成员的大小决定。
  2. 联合体的对齐要求由最大成员的对齐要求决定。

3. 枚举类型大小计算规则

  1. 枚举类型在底层是一个整数类型，通常是 int（具体大小取决于编译器）。
  2. 内存大小：一个枚举变量的大小与 int 相同（4字节或8字节，取决于平台）。

可优化建议

  1. 调整成员顺序：将对齐要求高的成员放在前面，减少填充字节。
  2. 使用 #pragma pack：可以改变默认对齐方式，但可能影响性能。
  3. 注意嵌套结构体的对齐：嵌套结构体的总大小也需满足对齐规则。

通过理解这些规则，可以优化结构体和联合体的内存布局，从而提高程序的性能和内存利用率。

此篇文章仅仅只是对结构体、联合体、枚举类型的基础教育，简单讲解了它们是如何占用内存空间大小的，下一篇文章中会更进一步的讲解说明；
其中包含：结构体嵌套以及实际开发中的使用，位域、无名位域和空域详解并包含嵌入式开发工作中实际场景说明。链接：位域、无名位域和空域详解

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