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C语言基本教程 第9课: 自定义数据结构
2016-08-20 09:17:25         来源:NTSK13  
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首先介绍一下 类似的数据结构, 枚举类型

枚举

以每周七天为例,我们可以使用#define命令来给每天指定一个名字:

  1. #include
  2.  
  3. #define Mon 1
  4. #define Tues 2
  5. #define Wed 3
  6. #define Thurs 4
  7. #define Fri 5
  8. #define Sat 6
  9. #define Sun 7
  10.  
  11. int main(){
  12. int day;
  13. scanf("%d", &day);
  14. switch(day){
  15. case Mon: puts("Monday"); break;
  16. case Tues: puts("Tuesday"); break;
  17. case Wed: puts("Wednesday"); break;
  18. case Thurs: puts("Thursday"); break;
  19. case Fri: puts("Friday"); break;
  20. case Sat: puts("Saturday"); break;
  21. case Sun: puts("Sunday"); break;
  22. default: puts("Error!");
  23. }
  24. return 0;
  25. }
运行结果:
5↙
Friday

#define命令虽然能解决问题,但也带来了不小的副作用,导致宏名过多,代码松散,看起来总有点不舒服。C语言提供了一种枚举(Enum)类型,能够列出所有可能的取值,并给它们取一个名字。

枚举类型的定义形式为:

 

enum typeName{ valueName1, valueName2, valueName3, ...... };

enum是一个新的关键字,专门用来定义枚举类型,这也是它在C语言中的唯一用途;typeName是枚举类型的名字;valueName1, valueName2, valueName3, ......是每个值对应的名字的列表。注意最后的;不能少。

例如,列出一个星期有几天:
  1. enum week{ Mon, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun };
可以看到,我们仅仅给出了名字,却没有给出名字对应的值,这是因为枚举值默认从 0 开始,往后逐个加 1(递增);也就是说,week 中的 Mon、Tues ...... Sun 对应的值分别为 0、1 ...... 6。

我们也可以给每个名字都指定一个值:
  1. enum week{
  2. Mon = 1,
  3. Tues = 2,
  4. Wed = 3,
  5. Thurs = 4,
  6. Fri = 5,
  7. Sat = 6,
  8. Sun = 7
  9. };
更为简单的方法是只给第一个名字指定值:
  1. enum week{
  2. Mon = 1,
  3. Tues,
  4. Wed,
  5. Thurs,
  6. Fri,
  7. Sat,
  8. Sun
  9. };
这样枚举值就从 1 开始递增,跟上面的写法是等效的。

枚举是一种类型,通过它可以定义枚举变量:

  1. enum week a, b, c;
也可以在定义枚举类型的同时定义变量:
  1. enum week{ Mon = 1, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun } a, b, c;
有了枚举变量,就可以把列表中的值赋给它:
  1. enum week{ Mon = 1, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun };
  2. enum week a = Mon, b = Wed, c = Sat;
或者:
  1. enum week{ Mon = 1, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun } a = Mon, b = Wed, c = Sat;

前面的教程中我们讲解了数组(Array),它是一组具有相同类型的数据的集合。但在实际的编程过程中,我们往往还需要一组类型不同的数据,例如对于学生信息登记表,姓名为字符串,学号为整数,年龄为整数,所在的学习小组为字符,成绩为小数,因为数据类型不同,显然不能用一个数组来存放。这就是C语言的自定义数据类型,

在C语言中,可以使用结构体(Struct)来存放一组不同类型的数据。结构体的定义形式为:

struct 结构体名{
结构体所包含的变量或数组
};

结构体是一种集合,它里面包含了多个变量或数组,它们的类型可以相同,也可以不同,每个这样的变量或数组都称为结构体的成员(Member)。请看下面的一个例子:
  1. struct stu{
  2. char *name; //姓名
  3. int num; //学号
  4. int age; //年龄
  5. char group; //所在学习小组
  6. float score; //成绩
  7. };
stu 为结构体名,它包含了 5 个成员,分别是 name、num、age、group、score。结构体成员的定义方式与变量和数组的定义方式相同,只是不能初始化。
注意大括号后面的分号;不能少,这是一条完整的语句。
结构体也是一种数据类型,它由程序员自己定义,可以包含多个其他类型的数据。

像 int、float、char 等是由C语言本身提供的数据类型,不能再进行分拆,我们称之为基本数据类型;而结构体可以包含多个基本类型的数据,也可以包含其他的结构体,我们将它称为复杂数据类型或构造数据类型。

结构体变量

既然结构体是一种数据类型,那么就可以用它来定义变量。例如:
struct stu stu1, stu2;
定义了两个变量 stu1 和 stu2,它们都是 stu 类型,都由 5 个成员组成。注意关键字struct不能少。

stu 就像一个“模板”,定义出来的变量都具有相同的性质。也可以将结构体比作“图纸”,将结构体变量比作“零件”,根据同一张图纸生产出来的零件的特性都是一样的。

你也可以在定义结构体的同时定义结构体变量:
  1. struct stu{
  2. char *name; //姓名
  3. int num; //学号
  4. int age; //年龄
  5. char group; //所在学习小组
  6. float score; //成绩
  7. } stu1, stu2;
将变量放在结构体定义的最后即可。

如果只需要 stu1、stu2 两个变量,后面不需要再使用结构体名定义其他变量,那么在定义时也可以不给出结构体名,如下所示:
  1. struct{ //没有写 stu
  2. char *name; //姓名
  3. int num; //学号
  4. int age; //年龄
  5. char group; //所在学习小组
  6. float score; //成绩
  7. } stu1, stu2;
这样做书写简单,但是因为没有结构体名,后面就没法用该结构体定义新的变量。

理论上讲结构体的各个成员在内存中是连续存储的,和数组非常类似,例如上面的结构体变量 stu1、stu2 的内存分布如下图所示,共占用 4+4+4+1+4 = 17 个字节。

\


但是在编译器的具体实现中,各个成员之间可能会存在缝隙,对于 stu1、stu2,成员变量 group 和 score 之间就存在 3 个字节的空白填充(见下图)。这样算来,stu1、stu2 其实占用了 17 + 3 = 20 个字节。

\

关于成员变量之间存在“裂缝”的原因,我们将在《C语言和内存》专题中的《C语言内存对齐,提高寻址效率》一节中详细讲解。

成员的获取和赋值

结构体和数组类似,也是一组数据的集合,整体使用没有太大的意义。数组使用下标[ ]获取单个元素,结构体使用点号.获取单个成员。获取结构体成员的一般格式为:

结构体变量名.成员名;

通过这种方式可以获取成员的值,也可以给成员赋值:
  1. #include
  2. int main(){
  3. struct{
  4. char *name; //姓名
  5. int num; //学号
  6. int age; //年龄
  7. char group; //所在小组
  8. float score; //成绩
  9. } stu1;
  10.  
  11. //给结构体成员赋值
  12. stu1.name = "Tom";
  13. stu1.num = 12;
  14. stu1.age = 18;
  15. stu1.group = 'A';
  16. stu1.score = 136.5;
  17.  
  18. //读取结构体成员的值
  19. printf("%s的学号是%d,年龄是%d,在%c组,今年的成绩是%.1f!\n", stu1.name, stu1.num, stu1.age, stu1.group, stu1.score);
  20.  
  21. return 0;
  22. }
运行结果:
Tom的学号是12,年龄是18,在A组,今年的成绩是136.5!

除了可以对成员进行逐一赋值,也可以在定义时整体赋值,例如:
  1. struct{
  2. char *name; //姓名
  3. int num; //学号
  4. int age; //年龄
  5. char group; //所在小组
  6. float score; //成绩
  7. } stu1, stu2 = { "Tom", 12, 18, 'A', 136.5 };
不过整体赋值仅限于定义结构体变量的时候,在使用过程中只能对成员逐一赋值,这和数组的赋值非常类似。

需要注意的是,结构体是一种自定义的数据类型,是创建变量的模板,不占用内存空间;结构体变量才包含了实实在在的数据,需要内存空间来存储。

 

通过前面的讲解,我们知道结构体(Struct)是一种构造类型或复杂类型,它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中,还有另外一种和结构体非常类似的语法,叫做共用体(Union),它的定义格式为:

union 共用体名{
成员列表
};

共用体有时也被称为联合或者联合体,这也是 Union 这个单词的本意。
结构体和共用体的区别在于:结构体的各个成员会占用不同的内存,互相之间没有影响;而共用体的所有成员占用同一段内存,修改一个成员会影响其余所有成员。

结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和(成员之间可能会存在缝隙),共用体占用的内存等于最长的成员占用的内存。共用体使用了内存覆盖技术,同一时刻只能保存一个成员的值,如果对新的成员赋值,就会把原来成员的值覆盖掉。

共用体也是一种自定义类型,可以通过它来创建变量,例如:
  1. union data{
  2. int n;
  3. char ch;
  4. double f;
  5. };
  6. union data a, b, c;
上面是先定义共用体,再创建变量,也可以在定义共用体的同时创建变量:
  1. union data{
  2. int n;
  3. char ch;
  4. double f;
  5. } a, b, c;
如果不再定义新的变量,也可以将共用体的名字省略:
  1. union data{
  2. int n;
  3. char ch;
  4. double f;
  5. } a, b, c;
共用体 data 中,成员 f 占用的内存最多,为 8 个字节,所以 data 类型的变量(也就是 a、b、c)也占用 8 个字节的内存,请看下面的演示:
  1. #include
  2.  
  3. union data{
  4. int n;
  5. char ch;
  6. short m;
  7. };
  8.  
  9. int main(){
  10. union data a;
  11. printf("%d, %d\n", sizeof(a), sizeof(union data) );
  12. a.n = 0x40;
  13. printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
  14. a.ch = '9';
  15. printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
  16. a.m = 0x2059;
  17. printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
  18. a.n = 0x3E25AD54;
  19. printf("%X, %c, %hX\n", a.n, a.ch, a.m);
  20.  
  21. return 0;
  22. }
运行结果:
4, 4
40, @, 40
39, 9, 39
2059, Y, 2059
3E25AD54, T, AD54
这段代码不但验证了共用体的长度,还说明共用体成员之间会相互影响,修改一个成员的值会影响其他成员。

要想理解上面的输出结果,弄清成员之间究竟是如何相互影响的,就得了解各个成员在内存中的分布。以上面的 data 为例,各个成员在内存中的分布如下:
\
成员 n、ch、m 在内存中“对齐”到一头,对 ch 赋值修改的是前一个字节,对 m 赋值修改的是前两个字节,对 n 赋值修改的是全部字节。也就是说,ch、m 会影响到 n 的一部分数据,而 n 会影响到 ch、m 的全部数据。

上图是在绝大多数 PC 机上的内存分布情况,如果是 51 单片机,情况就会有所不同:
\
为什么不同的机器会有不同的分布情况呢?这跟机器的存储模式有关,我们将在VIP教程《大端小端以及判别方式》一节中展开探讨。

共用体的应用

共用体在一般的编程中应用较少,在单片机中应用较多。对于 PC 机,经常使用到的一个实例是: 现有一张关于学生信息和教师信息的表格。学生信息包括姓名、编号、性别、职业、分数,教师的信息包括姓名、编号、性别、职业、教学科目。请看下面的表格:
Name Num Sex Profession Score / Course
HanXiaoXiao 501 f s 89.5
YanWeiMin 1011 m t math
LiuZhenTao 109 f t English
ZhaoFeiYan 982 m s 95.0

f 和 m 分别表示女性和男性,s 表示学生,t 表示教师。可以看出,学生和教师所包含的数据是不同的。现在要求把这些信息放在同一个表格中,并设计程序输入人员信息然后输出。

如果把每个人的信息都看作一个结构体变量的话,那么教师和学生的前 4 个成员变量是一样的,第 5 个成员变量可能是 score 或者 course。当第 4 个成员变量的值是 s 的时候,第 5 个成员变量就是 score;当第 4 个成员变量的值是 t 的时候,第 5 个成员变量就是 course。

经过上面的分析,我们可以设计一个包含共用体的结构体,请看下面的代码:
  1. #include
  2. #include
  3.  
  4. #define TOTAL 4 //人员总数
  5.  
  6. struct{
  7. char name[20];
  8. int num;
  9. char sex;
  10. char profession;
  11. union{
  12. float score;
  13. char course[20];
  14. } sc;
  15. } bodys[TOTAL];
  16.  
  17. int main(){
  18. int i;
  19. //输入人员信息
  20. for(i=0; i printf("Input info: ");
  21. scanf("%s %d %c %c", bodys[i].name, &(bodys[i].num), &(bodys[i].sex), &(bodys[i].profession));
  22. if(bodys[i].profession == 's'){ //如果是学生
  23. scanf("%f", &bodys[i].sc.score);
  24. }else{ //如果是老师
  25. scanf("%s", bodys[i].sc.course);
  26. }
  27. fflush(stdin);
  28. }
  29.  
  30. //输出人员信息
  31. printf("\nName\t\tNum\tSex\tProfession\tScore / Course\n");
  32. for(i=0; i if(bodys[i].profession == 's'){ //如果是学生
  33. printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%f\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.score);
  34. }else{ //如果是老师
  35. printf("%s\t%d\t%c\t%c\t\t%s\n", bodys[i].name, bodys[i].num, bodys[i].sex, bodys[i].profession, bodys[i].sc.course);
  36. }
  37. }
  38. return 0;
  39. }
运行结果:
Input info: HanXiaoXiao 501 f s 89.5↙
Input info: YanWeiMin 1011 m t math↙
Input info: LiuZhenTao 109 f t English↙
Input info: ZhaoFeiYan 982 m s 95.0↙

Name            Num     Sex     Profession      Score / Course
HanXiaoXiao     501     f       s               89.500000
YanWeiMin       1011    m       t               math
LiuZhenTao      109     f       t               English
ZhaoFeiYan      982     m       s               95.000000

C语言位域

有些数据在存储时并不需要占用一个完整的字节,只需要占用一个或几个二进制位即可。例如开关只有通电和断电两种状态,用 0 和 1 表示足以,也就是用一个二进位。正是基于这种考虑,C语言又提供了一种叫做位域的数据结构。

在结构体定义时,我们可以指定某个成员变量所占用的二进制位数(Bit),这就是位域。请看下面的例子:
  1. struct bs{
  2. unsigned m;
  3. unsigned n: 4;
  4. unsigned char ch: 6;
  5. }
:后面的数字用来限定成员变量占用的位数。成员 m 没有限制,根据数据类型即可推算出它占用 4 个字节(Byte)的内存。成员 n、ch 被:后面的数字限制,不能再根据数据类型计算长度,它们分别占用 4、6 位(Bit)的内存。

n、ch 的取值范围非常有限,数据稍微大些就会发生溢出,请看下面的例子:
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m;
  6. unsigned n: 4;
  7. unsigned char ch: 6;
  8. } a = { 0xad, 0xE, '$'};
  9. //第一次输出
  10. printf("%#x, %#x, %c\n", a.m, a.n, a.ch);
  11. //更改值后再次输出
  12. a.m = 0xb8901c;
  13. a.n = 0x2d;
  14. a.ch = 'z';
  15. printf("%#x, %#x, %c\n", a.m, a.n, a.ch);
  16.  
  17. return 0;
  18. }
运行结果:
0xad, 0xe, $
0xb8901c, 0xd, :

对于 n 和 ch,第一次输出的数据是完整的,第二次输出的数据是残缺的。

第一次输出时,n、ch 的值分别是 0xE、0x24('$' 对应的 ASCII 码为 0x24),换算成二进制是 1110、10 0100,都没有超出限定的位数,能够正常输出。

第二次输出时,n、ch 的值变为 0x2d、0x7a('z' 对应的 ASCII 码为 0x7a),换算成二进制分别是 10 1101、111 1010,都超出了限定的位数。超出部分被直接截去,剩下 1101、11 1010,换算成十六进制为 0xd、0x3a(0x3a 对应的字符是 :)。

C语言标准规定,位域的宽度不能超过它所依附的数据类型的长度。通俗地讲,成员变量都是有类型的,这个类型限制了成员变量的最大长度,:后面的数字不能超过这个长度。

例如上面的 bs,n 的类型是 unsigned int,长度为 4 个字节,共计 32 位,那么 n 后面的数字就不能超过 32;ch 的类型是 unsigned char,长度为 1 个字节,共计 8 位,那么 ch 后面的数字就不能超过 8。

我们可以这样认为,位域技术就是在成员变量所占用的内存中选出一部分位宽来存储数据。

C语言标准还规定,只有有限的几种数据类型可以用于位域。在 ANSI C 中,这几种数据类型是int、signed int 和 unsigned int(int 默认就是 signed int);到了 C99,_Bool 也被支持了。
关于C语言标准以及 ANSI C 和 C99 的区别,我们已在VIP教程《C语言的两套标准》中进行了讲解。
但编译器在具体实现时都进行了扩展,额外支持了 char、signed char、unsigned char 以及 enum 类型,所以上面的代码虽然不符合C语言标准,但它依然能够被编译器支持。

位域的存储

C语言标准并没有规定位域的具体存储方式,不同的编译器有不同的实现,但它们都尽量压缩存储空间。

位域的具体存储规则如下:
1) 当相邻成员的类型相同时,如果它们的位宽之和小于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员紧邻前一个成员存储,直到不能容纳为止;如果它们的位宽之和大于类型的 sizeof 大小,那么后面的成员将从新的存储单元开始,其偏移量为类型大小的整数倍。

以下面的位域 bs 为例:
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 6;
  6. unsigned n: 12;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d\n", sizeof(struct bs));
  10.  
  11. return 0;
  12. }
运行结果:
4

m、n、p 的类型都是 unsigned int,sizeof 的结果为 4 个字节(Byte),也即 32 个位(Bit)。m、n、p 的位宽之和为 6+12+4 = 22,小于 32,所以它们会挨着存储,中间没有缝隙。
sizeof(struct bs) 的大小之所以为 4,而不是 3,是因为要将内存对齐到 4 个字节,以便提高存取效率,这将在《C语言和内存》专题的《C语言内存对齐,提高寻址效率》一节中详细讲解。
如果将成员 m 的位宽改为 22,那么输出结果将会是 8,因为 22+12 = 34,大于 32,n 会从新的位置开始存储,相对 m 的偏移量是 sizeof(unsigned int),也即 4 个字节。

如果再将成员 p 的位宽也改为 22,那么输出结果将会是 12,三个成员都不会挨着存储。

2) 当相邻成员的类型不同时,不同的编译器有不同的实现方案,GCC 会压缩存储,而 VC/VS 不会。

请看下面的位域 bs:
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. struct bs{
  5. unsigned m: 12;
  6. unsigned char ch: 4;
  7. unsigned p: 4;
  8. };
  9. printf("%d\n", sizeof(struct bs));
  10.  
  11. return 0;
  12. }
在 GCC 下的运行结果为 4,三个成员挨着存储;在 VC/VS 下的运行结果为 12,三个成员按照各自的类型存储(与不指定位宽时的存储方式相同)。
m 、ch、p 的长度分别是 4、1、4 个字节,共计占用 9 个字节内存,为什么在 VC/VS 下的输出结果却是 12 呢?这个疑问将在《C语言和内存》专题的《C语言内存对齐,提高寻址效率》一节中为您解开。
3) 如果成员之间穿插着非位域成员,那么不会进行压缩。例如对于下面的 bs:
  1. struct bs{
  2. unsigned m: 12;
  3. unsigned ch;
  4. unsigned p: 4;
  5. };
在各个编译器下 sizeof 的结果都是 12。

通过上面的分析,我们发现位域成员往往不占用完整的字节,有时候也不处于字节的开头位置,因此使用&获取位域成员的地址是没有意义的,C语言也禁止这样做。地址是字节(Byte)的编号,而不是位(Bit)的编号。

无名位域

位域成员可以没有名称,只给出数据类型和位宽,如下所示:
  1. struct bs{
  2. int m: 12;
  3. int : 20; //该位域成员不能使用
  4. int n: 4;
  5. };
无名位域一般用来作填充或者调整成员位置。因为没有名称,无名位域不能使用。

上面的例子中,如果没有位宽为 20 的无名成员,m、n 将会挨着存储,sizeof(struct bs) 的结果为 4;有了这 20 位作为填充,m、n 将分开存储,sizeof(struct bs) 的结果为 8。

 

位运算

就是对一个比特(Bit)位进行操作。比特(Bit)是C语言能操作的最小单位,8个比特构成一个字节(Byte)。

C语言提供了六种位运算符:

运算符 & | ^ ~ << >>
说明 按位与 按位或 按位异或 取反 左移 右移

 

按位与运算(&)

一个比特(Bit)位只有 0 和 1 两个取值,只有参与&运算的两个位都为 1 时,结果才为 1,否则为 0。例如1&1为 1,0&0为 0,1&0也为 0,这和逻辑运算符&&非常类似。

C语言中不能直接使用二进制,&两边的操作数可以是十进制、八进制、十六进制,它们在内存中最终都是以二进制形式存储,&就是对这些内存中的二进制位进行运算。其他的位运算符也是相同的道理。

例如,9 & 5可以转换成如下的运算:

 

0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001 (1 在内存中的存储)

也就是说,按位与运算会对参与运算的两个数的所有二进制位进行&运算,9 & 5的结果为 1。

又如,-9 & 5可以转换成如下的运算:

1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
& 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)

-9 & 5的结果是 5。
关于正数和负数在内存中的存储形式,我们已在VIP教程《整数在内存中是如何存储的》中进行了讲解。
再强调一遍,&是根据内存中的二进制位进行运算的,而不是数据的二进制形式;其他位运算符也一样。以-9&5为例,-9 的在内存中的存储和 -9 的二进制形式截然不同:

1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
-0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (-9 的二进制形式,前面多余的 0 可以抹掉)


按位与运算通常用来对某些位清 0,或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位清 0 ,保留低 16 位,可以进行n & 0XFFFF运算(0XFFFF 在内存中的存储形式为 0000 0000 -- 0000 0000 -- 1111 1111 -- 1111 1111)。

【实例】对上面的分析进行检验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. int n = 0X8FA6002D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 & 5, -9 & 5, n & 0XFFFF);
  6. return 0;
  7. }
运行结果:
1, 5, 2D

按位或运算(|)

参与|运算的两个二进制位有一个为 1 时,结果就为 1,两个都为 0 时结果才为 0。例如1|1为1,0|0为0,1|0为1,这和逻辑运算中的||非常类似。

例如,9 | 5可以转换成如下的运算:

0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
| 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1101 (13 在内存中的存储)

9 | 5的结果为 13。

又如,-9 | 5可以转换成如下的运算:

1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
| 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)

-9 | 5的结果是 -9。

按位或运算可以用来将某些位置 1,或者保留某些位。例如要把 n 的高 16 位置 1,保留低 16 位,可以进行n | 0XFFFF0000运算(0XFFFF0000 在内存中的存储形式为 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000)。

【实例】对上面的分析进行校验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. int n = 0X2D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 | 5, -9 | 5, n | 0XFFFF0000);
  6. return 0;
  7. }
运行结果:
13, -9, FFFF002D

按位异或运算(^)

参与^运算两个二进制位不同时,结果为 1,相同时结果为 0。例如0^1为1,0^0为0,1^1为0。

例如,9 | 5可以转换成如下的运算:

0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
^ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1100 (12 在内存中的存储)

9 | 5的结果为 12。

又如,-9 | 5可以转换成如下的运算:

1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
^ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0101 (5 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0010 (-1 在内存中的存储)

-9 | 5的结果是 -14。

按位异或运算可以用来将某些二进制位反转。例如要把 n 的高 16 位反转,保留低 16 位,可以进行n ^ 0XFFFF0000运算(0XFFFF0000 在内存中的存储形式为 1111 1111 -- 1111 1111 -- 0000 0000 -- 0000 0000)。

【实例】对上面的分析进行校验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. unsigned n = 0X0A07002D;
  5. printf("%d, %d, %X\n", 9 ^ 5, -9 ^ 5, n ^ 0XFFFF0000);
  6. return 0;
  7. }
运行结果:
12, -14, F5F8002D

取反运算(~)

取反运算符~为单目运算符,右结合性,作用是对参与运算的二进制位取反。例如~1为0,~0为1,这和逻辑运算中的!非常类似。。

例如,~9可以转换为如下的运算:

~ 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0110 (-10 在内存中的存储)

所以~9的结果为 -10。

例如,~-9可以转换为如下的运算:

~ 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1000 (9 在内存中的存储)

所以~-9的结果为 8。

【实例】对上面的分析进行校验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", ~9, ~-9 );
  5. return 0;
  6. }
运行结果:
-10, 8

左移运算(<<)

左移运算符<<用来把操作数的各个二进制位全部左移若干位,高位丢弃,低位补0。

例如,9<<3可以转换为如下的运算:

<< 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0100 1000 (72 在内存中的存储)

所以9<<3的结果为 72。

又如,(-9)<<3可以转换为如下的运算:

<< 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1011 1000 (-72 在内存中的存储)

所以(-9)<<3的结果为 -72

如果数据较小,被丢弃的高位不包含 1,那么左移 n 位相当于乘以 2 的 n 次方。

【实例】对上面的结果进行校验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", 9<<3, (-9)<<3 );
  5. return 0;
  6. }
运行结果:
72, -72

右移运算(>>)

右移运算符>>用来把操作数的各个二进制位全部右移若干位,低位丢弃,高位补 0 或 1。如果数据的最高位是 0,那么就补 0;如果最高位是 1,那么就补 1。

例如,9>>3可以转换为如下的运算:

>> 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 1001 (9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0000 -- 0000 0001 (1 在内存中的存储)

所以9>>3的结果为 1。

又如,(-9)>>3可以转换为如下的运算:

>> 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 0111 (-9 在内存中的存储)
-----------------------------------------------------------------------------------
1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1111 -- 1111 1110 (-2 在内存中的存储)

所以(-9)>>3的结果为 -2

如果被丢弃的低位不包含 1,那么右移 n 位相当于除以 2 的 n 次方(但被移除的位中经常会包含 1)。

【实例】对上面的结果进行校验。
  1. #include
  2.  
  3. int main(){
  4. printf("%d, %d\n", 9>>3, (-9)>>3 );
  5. return 0;
  6. }
运行结果:
1, -2

 

typedef

C语言允许为一个数据类型起一个新的别名,就像给人起“绰号”一样。

起别名的目的不是为了提高程序运行效率,而是为了编码方便。例如有一个结构体的名字是 stu,要想定义一个结构体变量就得这样写:

struct stu stu1;

struct 看起来就是多余的,但不写又会报错。如果为 struct stu 起了一个别名 STU,书写起来就简单了:

STU stu1;

这种写法更加简练,意义也非常明确,不管是在标准头文件中还是以后的编程实践中,都会大量使用这种别名。

使用关键字typedef可以为类型起一个新的别名,语法格式为:

typedef oldName newName;

oldName 是类型原来的名字,newName 是类型新的名字。例如:
  1. typedef int INTEGER;
  2. INTEGER a, b;
  3. a = 1;
  4. b = 2;
INTEGER a, b;等效于int a, b;。

typedef 还可以给数组、指针、结构体等类型定义别名。先来看一个给数组类型定义别名的例子:

typedef char ARRAY20[20];

表示 ARRAY20 是类型char [20]的别名。它是一个长度为 20 的数组类型。接着可以用 ARRAY20 定义数组:

ARRAY20 a1, a2, s1, s2;

它等价于:

char a1[20], a2[20], s1[20], s2[20];

注意,数组也是有类型的。例如char a1[20];定义了一个数组 a1,它的类型就是 char [20],这一点已在VIP教程《数组和指针绝不等价,数组是另外一种类型》中讲解过。

又如,为结构体类型定义别名:

  1. typedef struct stu{
  2. char name[20];
  3. int age;
  4. char sex;
  5. } STU;
STU 是 struct stu 的别名,可以用 STU 定义结构体变量:

STU body1,body2;

它等价于:

struct stu body1, body2;


再如,为指针类型定义别名:

typedefint (*PTR_TO_ARR)[4];

表示 PTR_TO_ARR 是类型int * [4]的别名,它是一个二维数组指针类型。接着可以使用 PTR_TO_ARR 定义二维数组指针:

PTR_TO_ARR p1, p2;

按照类似的写法,还可以为函数指针类型定义别名:

typedef int (*PTR_TO_FUNC)(int, int);
PTR_TO_FUNC pfunc;

【示例】为指针定义别名。
  1. #include
  2.  
  3. typedef char (*PTR_TO_ARR)[30];
  4. typedef int (*PTR_TO_FUNC)(int, int);
  5.  
  6. int max(int a, int b){
  7. return a>b ? a : b;
  8. }
  9.  
  10. char str[3][30] = {
  11. "http://c.biancheng.net",
  12. "C语言中文网",
  13. "C-Language"
  14. };
  15.  
  16. int main(){
  17. PTR_TO_ARR parr = str;
  18. PTR_TO_FUNC pfunc = max;
  19. int i;
  20.  
  21. printf("max: %d\n", (*pfunc)(10, 20));
  22. for(i=0; i<3; i++){
  23. printf("str[%d]: %s\n", i, *(parr+i));
  24. }
  25.  
  26. return 0;
  27. }
运行结果:
max: 20
str[0]: http://c.biancheng.net
str[1]: C语言中文网
str[2]: C-Language

需要强调的是,typedef 是赋予现有类型一个新的名字,而不是创建新的类型。为了“见名知意”,请尽量使用含义明确的标识符,并且尽量大写。

typedef 和 #define 的区别

typedef 在表现上有时候类似于 #define,但它和宏替换之间存在一个关键性的区别。正确思考这个问题的方法就是把 typedef 看成一种彻底的“封装”类型,声明之后不能再往里面增加别的东西。

1) 可以使用其他类型说明符对宏类型名进行扩展,但对 typedef 所定义的类型名却不能这样做。如下所示:

#define INTERGE int
unsigned INTERGE n; //没问题

typedef int INTERGE;
unsigned INTERGE n; //错误,不能在 INTERGE 前面添加 unsigned


2) 在连续定义几个变量的时候,typedef 能够保证定义的所有变量均为同一类型,而 #define 则无法保证。例如:

#define PTR_INT int *
PTR_INT p1, p2;

经过宏替换以后,第二行变为:

int *p1, p2;

这使得 p1、p2 成为不同的类型:p1 是指向 int 类型的指针,p2 是 int 类型。

相反,在下面的代码中:

typedef int *PTR_INT
PTR_INT p1, p2;

p1、p2 类型相同,它们都是指向 int 类型的指针。
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