Aexiar/c
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c/docs/notes/02_c-leap/08_xdx/index.md

857 lines
20 KiB
Markdown
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c
2024-10-11 16:40:12 +08:00
# 第一章：共用体
msg
2024-10-08 11:44:30 +08:00
2024年10月12日 10:31
2024-10-12 02:31:22 +00:00
## 1.1 概述
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 有的时候，需要一种数据结构，在不同的场合表示不同的数据类型，如：需要一种数据结构表示学生的成绩，有的时候是`整数`，如：80、90 等；有的时候是`字符`，如：'A'、'B' 等；有的时候是`浮点数`，如：80.5、60.5 等。
2024年10月12日 10:31
2024-10-12 02:31:22 +00:00
* C 语言提供了`共用体`（union，联合）结构类型，用来自定义可以灵活变更的数据类型。它内部可以包含各种属性，但是同一时间只能有一个属性，因为所有的属性都保存在同一个内存地址，后面写入的属性将会覆盖前面的属性。
> [!NOTE]
>
> * ① 之所以，C 语言会提供共用体，就是因为其可以节省内存。
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
> * ② 在实际开发中，共用体并不会使用很频繁；反而，结构体的使用更加频繁！！！
> * ③ 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。
2024年10月12日 10:31
2024-10-12 02:31:22 +00:00
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
## 1.2 声明共用体
msg
2024-10-08 11:44:30 +08:00
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 语法：
msg
2024-10-08 11:44:30 +08:00
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
```c
union 共用体名 {
数据类型1 成员名1; // 分号结尾
数据类型2 成员名2;
……
数据类型n 成员名n;
}
```
msg
2024-10-08 11:44:30 +08:00
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 示例：
``` c {4-8}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
return 0;
}
```
## 1.3 定义公用体变量
### 1.3.1 概述
* 定义了新的数据类型（公用体类型）以后，就可以定义该类型的变量，这与定义其他类型变量的写法是一样的。
### 1.3.2 方式一
* 语法：
```c
union 共用体类型名称 共用体变量名;
```
> [!NOTE]
>
> - ① 需要先定义共用体，然后再定义共用体变量。
> - ② `union` 关键字不能省略；否则， C 语言编译器将会报错。
> [!CAUTION]
>
> 在 C 语言中，共用体（union）和共用体变量是两个不同的概念，如下所示：
>
> - ① 共用体是一种自定义的数据类型，像一种模板，定义了数据的格式，不占用内存空间。
> - ② 共用体变量是根据共用体类型创建的变量，代表了一个具体的对象，用于存储数据，需要内存空间来存储。
* 示例：
```c {16}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量
union Data data ;
return 0;
}
```
### 1.3.3 方式二
* 语法：
```c
union 共用体名 {
数据类型1 成员名1; // 分号结尾
数据类型2 成员名2;
……
数据类型n 成员名n;
} 共用体变量1，共用体变量2,...;
```
> [!NOTE]
>
> 在声明共用体的同时定义共用体变量。
* 示例：
```c {8}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
} data1,data2; // 定义共用体变量
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
return 0;
}
```
### 1.3.4 方式三
* 语法：
```c
union {
数据类型1 成员名1; // 分号结尾
数据类型2 成员名2;
……
数据类型n 成员名n;
} 共用体变量1，共用体变量2,...;
```
> [!NOTE]
>
> - ① 在声明共用体的同时定义共用体变量，但是不给共用体名，这种方式的结构体也称为`匿名共用体`。
> - ② 和`方式二`相比，后面的代码将无法通过该共用体来定义变量，因为没有共用体名称，除非使用 `typedef` 关键字。
* 示例：
```c {4,8}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
} data1, data2; // 定义共用体变量
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
return 0;
}
```
## 1.4 共用体变量中成员的获取和赋值
### 1.4.1 概述
* 成员是共用体的一个组成部分，一般是基本数据类型、也可以是数组、指针、结构体等。共用体的成员也可以称为属性。
* 共用体使用点号 `.` 获取单个成员，可以进行赋值和取值。
### 1.4.2 共用体成员赋值
* 语法：
```c
共用体变量名.成员名 = 值; // 值可以是常量或变量
```
> [!CAUTION]
>
> * ① 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。
> * ② 给共用体变量中的成员赋值的时候，尽量每次只给一个成员赋值，防止产生数据覆盖现象！！！
2024年10月15日 12:54
2024-10-15 04:54:46 +00:00
* 共用体和结构体是不一样，结构体可能是这样的（不考虑内存对齐），如下所示：
![](./assets/1.png)
* 但是，共用体在内存中却是这样的（不考虑内存对齐），如下所示：
![](./assets/2.gif)
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 示例：
```c {19}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量
union Data data;
// 赋值
data.s = 80;
printf("data.s = %d\n", data.s); // data.s = 80
// 给其它成员赋值，会产生数据覆盖现象
data.g = 'A';
printf("data.s = %d\n", data.s); // data.s = 65
return 0;
}
```
### 1.4.3 使用大括号给共用体中的某个成员赋值
* 示例：
```c
union 共用体类型 共用体变量 = {.}; // 只给首成员赋值
```
```c
union 共用体类型 共用体变量 = {.xxx = xxx}; // 给任一成员赋值
```
* 示例：
```c {16}
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量并进行初始化
union Data data = {80};
printf("data.s = %d\n", data.s); // data.s = 80
return 0;
}
```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量并进行初始化
union Data data = {.g = 'A'};
printf("data.g = %c\n", data.g); // data.g = A
return 0;
}
```
## 1.5 错误方式
* 不要向给结构体变量中成员一样，给超过 2 个以上的成员赋值，因为其底层的内存结构是不一样的。
c
2024-10-12 11:24:36 +08:00
> [!CAUTION]
c
2024-10-12 11:20:27 +08:00
>
> * ① 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。
> * ② 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。
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 示例：错误演示
```c
#include <stdio.h>
// 声明公用体
union Data {
int s; // 整数，如：80、90
char g; // 字符，如：'A'、'B'
double f; // 浮点数，如：80.5、90.5
};
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量并进行初始化
// 错误方式，因为给超过 2 个以上的成员赋值
union Data data = {.s = 80, .g = 'A', .f = 80.5}; // [!code error]
return 0;
}
```
## 1.6 应用示例
* 需求：现有一张关于学生信息和教师信息的表格。
> [!NOTE]
>
> 表格信息，如下所示：
>
> | 姓名 | 编号 | 性别 | 职业 | 分数/ 课程 |
> | ---- | ---- | ----- | ---- | ---------- |
c
2024-10-12 13:03:55 +00:00
> | 张三 | 1001 | 男(m) | 学生(s) | 89.5 |
> | 李四 | 1101 | 男(m) | 老师(t) | math |
> | 王五 | 1002 | 女(f) | 学生(s) | English |
> | 赵六 | 1102 | 男(m) | 老师(t) | 95.0 |
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
struct Person {
char name[20];
int id;
char gender; // 性别 m->男 f->女
char profession; // 职业 s->学生 t->老师
union {
float score;
char course[20];
} sc; // sc 是一个共用体变量
};
#define TOTAL 5
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义共用体变量并进行初始化
struct Person persons[TOTAL];
printf("----------请输入学生和老师的信息-----------\n\n");
c
2024-10-12 11:24:36 +08:00
c
2024-10-12 11:14:54 +08:00
// 输入人员信息
for (int i = 0; i < TOTAL; i++) {
printf("请输入姓名：");
scanf("%s", persons[i].name);
printf("请输入编号：");
scanf("%d", &(persons[i].id));
printf("请输入性别：");
scanf(" %c", &(persons[i].gender));
printf("请输入职业：");
scanf(" %c", &(persons[i].profession));
if (persons[i].profession == 's') { // 如果是学生
printf("请输入学生成绩：");
scanf("%f", &persons[i].sc.score);
} else { // 如果是老师
printf("请输入老师课程：");
scanf("%s", persons[i].sc.course);
}
printf("\n");
}
printf("----------学生和老师的信息，如下所示：-----------\n\n");
// 输出人员信息
for (int i = 0; i < TOTAL; i++) {
printf("姓名：%s ", persons[i].name);
printf("编号：%d ", persons[i].id);
printf("性别：%c ", persons[i].gender);
printf("职业：%c ", persons[i].profession);
if (persons[i].profession == 's') { // 如果是学生
printf("成绩：%f ", persons[i].sc.score);
} else { // 如果是老师
printf("课程：%s ", persons[i].sc.course);
}
printf("\n");
}
return 0;
}
```
msg
2024-10-08 11:44:30 +08:00
2024年10月15日 14:13
2024-10-15 06:13:50 +00:00
# 第二章：typedef（⭐）
## 2.1 概述
* 之前，我们在使用结构体或共用体的时候，经常会这么写，如下所示：
```c {15,25-28}
#include <stdio.h>
/**
* 声明结构体
*/
struct Person {
char name[20];
int id;
};
/**
* 打印结构体成员中的属性
* @param person
*/
void toString(struct Person person) {
printf("编号：%d ，姓名：%s \n", person.id, person.name);
}
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义结构体变量并进行初始化
struct Person p1 = {.id = 1001, .name = "张三"};
struct Person p2 = {.id = 1002, .name = "李四"};
struct Person p3 = {.id = 1003, .name = "王五"};
struct Person p4 = {.id = 1004, .name = "赵六"};
// 输出结构体成员中的属性
toString(p1);
toString(p2);
toString(p3);
toString(p4);
return 0;
}
```
> [!NOTE]
>
> * ① 在声明结构体类型的时候，使用 struct 关键字很好理解。
> * ② 但是，在使用结构体变量给其成员赋值的时候，还要携带 `struct` 关键字就显得多余，但是不携带编译器又会报错，因为编译器不识别 `Person` 到底是什么，只会认为是一个字符串，而不是数据类型。
* 如果对比 Java 语言，你会发现 Java 语言的`强类型系统`是多么优秀，如下所示：
```java
class Person {
int id;
String name;
}
class Test {
public static void main(String[] args){
// Java 编译器可以直接认为 Person 就是一个数据类型
// 而不需要我们写 class Person p = new Person();
Person p = new Person(); // [!code highlight]
p.id = 1000;
p.name = "张三";
}
}
```
* C 语言提供了 typedef 关键字可以让我们给类型起别名（重命名），如下所示：
```c
typedef 旧名 新名（别名）;
```
> [!NOTE]
>
> * ① `typedef` 不创建新类型，只是为现有类型提供了一个别名。
> * ② 主要用途是简化复杂的类型声明，增强代码可读性。
* 那么，我们就可以将上面的代码简化下，如下所示：
```c {15,25-28}
#include <stdio.h>
/**
* 声明结构体
*/
typedef struct Person { // [!code highlight]
char name[20];
int id;
} Person; // [!code highlight]
/**
* 打印结构体成员中的属性
* @param person
*/
void toString(Person person) {
printf("编号：%d ，姓名：%s \n", person.id, person.name);
}
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义结构体变量并进行初始化
Person p1 = {.id = 1001, .name = "张三"};
Person p2 = {.id = 1002, .name = "李四"};
Person p3 = {.id = 1003, .name = "王五"};
Person p4 = {.id = 1004, .name = "赵六"};
// 输出结构体成员中的属性
toString(p1);
toString(p2);
toString(p3);
toString(p4);
return 0;
}
```
## 2.2 使用方式
### 2.2.1 概述
* 使用 typedef 可以给基本数据类型、结构体、公用体、指针类型起别名。
> [!IMPORTANT]
>
> 在实际开发中，使用 typedef 给结构体起别名居多！！！
### 2.2.2 给基本数据类型起别名
* 语法：
```c
typedef 类型名 别名;
```
> [!NOTE]
>
> * ① 在实际开发中，我们经常将 typedef 声明的类型名的第 1 个字母用大写表示，如：`Integer`。
> * ② 在系统提供的标准类型别名的标识符，通常使用下划线的命名风格，如：`size_t` 。
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 将 Integer 作为 int 的别名
typedef int Integer; // [!code highlight]
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义变量，并使用类型别名
Integer a = 20; // [!code highlight]
int b = 30;
printf("%d + %d = %d\n", a, b, a + b);
return 0;
}
```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 将 Integer 作为 int 的别名
typedef int Integer; // [!code highlight]
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义变量，并使用类型别名
Integer a, b; // [!code highlight]
a = 20;
b = 30;
printf("%d + %d = %d\n", a, b, a + b);
return 0;
}
```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 将 Byte 作为 unsigned char 的别名
typedef unsigned char Byte; // [!code highlight]
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义变量，并使用类型别名
Byte c = 'a'; // [!code highlight]
printf("%c\n", c);
return 0;
}
```
### 2.2.3 为结构体、共用体起别名
* 语法：
```c
typedef struct 结构体名 {
...
} 别名;
```
```c
typedef struct 共用体名 {
...
} 别名;
```
> [!NOTE]
>
> 因为 C 语言中，结构体名和公用体名都可以省略，所以 typedef 为结构体和共用体起别名，又可以这样：
>
> ```c
> typedef struct { // 匿名结构体
> ...
> } 别名;
> ```
>
> ```c
> typedef struct { // 匿名公用体
> ...
> } 别名;
> ```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
/**
* 声明结构体
*/
typedef struct {
char name[20];
int id;
} Person; // [!code highlight]
/**
* 打印结构体成员中的属性
* @param person
*/
void toString(Person person) { // [!code highlight]
printf("编号：%d ，姓名：%s \n", person.id, person.name);
}
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
// 定义结构体变量并进行初始化
Person p1 = {.id = 1001, .name = "张三"}; // [!code highlight]
Person p2 = {.id = 1002, .name = "李四"}; // [!code highlight]
Person p3 = {.id = 1003, .name = "王五"}; // [!code highlight]
Person p4 = {.id = 1004, .name = "赵六"}; // [!code highlight]
// 输出结构体成员中的属性
toString(p1);
toString(p2);
toString(p3);
toString(p4);
return 0;
}
```
### 2.2.4 为指针类型起别名
* 语法：
```c
typedef 指针类型 别名;
```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 为指针类型起别名
typedef int* P_INT; // [!code highlight]
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用指针变量 p 指向数组 arr
P_INT p = arr; // [!code highlight]
for (int i = 0; i < 5; i++) {
printf("%d ", *(p + i));
}
return 0;
}
```
* 示例：
```c
#include <stdio.h>
// 为指针类型起别名
typedef int (*P_INT)(int, int); // [!code highlight]
/**
* 求和函数
*/
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
int main() {
// 禁用 stdout 缓冲区
setbuf(stdout, nullptr);
P_INT p = add; // [!code highlight]
printf("%d\n", (*p)(1, 2));
return 0;
}
```
## 2.3 typedef 和 #define 的区别
* `#define` 是在`预处理阶段`处理 的，它只能作简单的字符串替换。
* `typedef` 是在`编译阶段`处理 的，且并非简单的字符串替换。
## 2.4 为什么要给类型定义别名？
### 2.4.1 概述
* 其实，无非就是以下三个优点：
* ① 提升代码的可读性：原类型名往往是一个通用的称呼，而别名是此场景下的一个精准描述。
* ② 提升代码的扩展性：这一点在数据结构中会体现的很明显。
* ③ 提升代码的跨平台性移植性：类型别名的语法最重要的用途就是增强代码的跨平台移植性。
### 2.4.2 类型别名如何提升跨平台性移植性？
* 我们都知道，C 语言由于编译器、平台之间的差异，经常会出现同一个类型，但存储方式不同的情况，比如：
* int 类型在绝大多数现代桌面平台下，占用 4 个字节 32 位内存空间。大多数应用级 C 程序员接触的 int 类型，也是 4 个字节的 int 类型。
* 但是在某些小型机器或者嵌入式平台下，int 类型可能就会变成占用 2 个字节 16 位内存空间的整数类型。（因为要节省内存空间）
* 于是代码在跨平台移植时，就会出现以下问题：
```c
int num = 100000;
```
2024年10月15日 14:24
2024-10-15 06:24:48 +00:00
> [!NOTE]
>
> * ① 上述的代码在 int 类型是 4 个字节的内存空间下是没有什么问题的。
> * ② 但是，如果 int 类型是 2 个字节的内存空间，就会出现数据溢出现象，将会出现数据精度丢失甚至数据错误的！！！
* 那么，如何避免这种情况？
> [!NOTE]
>
> * ① 直接将 num 的类型变更为更大的数据类型，如：long 等，在进行程序移植的时候，就避免了数据溢出现象。
> * ② 为每个平台选择合适的类型：原平台继续使用 int ，而新的平台使用更大的类型 long 。
* 如果选择上述的方案 ① ，将会造成内存浪费，因为在 32 位的机器上，使用 int 完全可以装得下，却去使用 long 来进行存储。那么，就只剩下方案 ② 了。
> [!NOTE]
>
> * ① 我们在原平台，将 int 类型定义为别名 BigInteger ，如：`typedef int BigInteger`。
> * ② 我们在新的平台，将 long 类型定义为别名 BigInteger，如：`typedef long BitInteger`。
> * ③ 这样，我们在所有的平台都使用 BitInteger 来存储整数，就可以解决跨平台程序移植的问题。
> * ④ 其实，C 语言规范的实现者，也为我们想到了这种问题的解决方案，其提供了`精确宽度类型`就是为了解决 C 程序中整数类型跨平台移植的问题，如下所示：
>
> | 类型名称 | 含义 |
> | :------- | :-------------- |
> | int8_t | 8 位有符号整数 |
> | int16_t | 16 位有符号整数 |
> | int32_t | 32 位有符号整数 |
> | int64_t | 64 位有符号整数 |
> | uint8_t | 8 位无符号整数 |
> | uint16_t | 16 位无符号整数 |
> | uint32_t | 32 位无符号整数 |
> | uint64_t | 64 位无符号整数 |
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