C 語言自學攻略-enum、struct、union 與 typedef 的深入探討

本節我們來講一些資料型別的使用，涵蓋enum, struct, union, 以及一個好用的搭配關鍵字typedef 讓命名更方便、程式碼更易讀。

enum

enum 裡面是一組具名的的整數常數，透過enum 具名的整數常數來表達數值，適合用來定義有意義的狀態。

基本宣告與定義

enum action{Up, Down, Left, Right, Stop}; //預設第一個具名的常數即Up為數字0，後面的常數為Down=1, Left=2, Right=3, Stop=4

若要宣告並定義一個enum型別的變數，語法如下:

action act(變數名稱) = Up;

或者是一開始宣告完enum後直接添加變數名稱，語法如下:

enum action2{Up2=1, Down2, Left2, Right2, Stop2}act2;
act2 = Stop;

若是像下面這樣，裡面的數值常數為 {0, 1, 100, 101, 102}

enum action2{Up2, Down2, Left2=100, Right2, Stop2}act2;
act2 = Stop;

接著就可以輸出數值測試了:

#include <stdio.h>

int main() {
    // 定義 action 枚舉，名稱不變
    enum action {Up, Down, Left, Right, Stop}; 
    enum action act = Up; // 使用 action 中的 Up
    
    // 改變 action2 中的枚舉名稱，避免與 action 中的名稱重複
    enum action2 {Up2=1, Down2, Left2, Right2, Stop2}act2; 
    act2 = Stop2; // 使用 action2 中的 Stop2
    
    printf("act = %d\n", act);  // 輸出 Up (0)
    printf("act2 = %d\n", act2); // 輸出 Stop2 (5)

    return 0;
}

實際案例

#include<stdio.h>
int main(){
// 定義了顏色列舉類型 (red = 1, green = 2, blue = 3)
    enum color { red=1, green, blue };
    
    // 宣告一個變數來儲存使用者選擇的顏色
    enum color favorite_color;
    
    // 宣告一個無號整數變數，用來暫存輸入的選項值
    unsigned int ui;
    
    // 提示使用者選擇顏色
    printf("Color you like: (1. red, 2. green, 3. blue)?\n");
    //scanf("%u",&favorite_color); // It's not recommoned
    // 使用 scanf 讀取整數輸入到 ui
    scanf("%u", &ui);
    
    // 將使用者的輸入轉換為列舉類型
    favorite_color = (enum color)ui;
    
    // 再使用 switch 來判斷選擇的顏色
    switch (favorite_color)
    {
        case red:
            // 如果選擇的是 red (索引 0)
            printf("What you like is red.\n");
            break;
    
        case green:
            // 如果選擇的是 green (索引 1)
            printf("What you like is green.\n");
            break;
    
        case blue:
            // 如果選擇的是 blue (索引 2)
            printf("What you like is blue.\n");
            break;
    
        default:
            // 輸入的選項無效 (非 1, 2, 3)
            printf("Invalid choice. Please enter 1, 2, or 3.\n");
            break;
    }
    
    // 結束程式
    return 0;
}

• switch中，以red、green、blue來代替單純使用數字1、2、3，這樣顯得更視覺化。

struct

struct 是一種內含不同型別的數據結構，適合用來描述複合數據，例如一個學生包含了姓名、年紀、學分數、平均成績等資訊。

基本宣告與定義

struct 結構名稱{
	成員1;
	成員2;
	...
};
struct student{
	int id;
	char name[10];
};

宣告後建立變數:

struct 結構名稱 結構變數名稱;
struct student s1;

可以同時指定成員的初始值:

struct student s1 = {136, "Michael"} //利用{}賦值

也可以:

struct student{
	int id;
	char name[10];
}s1 = {136, "Michael"};

存取結構內的資料成員

使用.存取結構成員:

s1.id = 137
strcpy(s1.name, "Bob") //s1.name = "Bob"不行喔

結構陣列:

不難理解，就是一個陣列裡面，其元素是結構，語法如下:

struct student students[3];

存取方式如下:

//假設三位學生都有了資料，現在要輸出學生們的id
for (int i = 0; i<3; i++)
{
		printf("學生%d的id是%d",i+1,students[i]);
}

結構指標

語法如下:

struct data{
        int year;
        int month;
        int day;
    };
    struct data hisBirthday;
    struct data *ptr;
    ptr = &hisBirthday;

圖示:

存取方式:

1. 一般方式

(*ptr).year = 2005;
(*ptr).month = 10;
(*ptr).day = 17;

2. 使用->

ptr -> year = 2005;
ptr -> month = 10;
ptr -> day = 17;

typedef 的使用

利用以下方式宣告結構，我們還是稍嫌麻煩，所以我們使用typedef 簡化。

struct student students[3];

使用 typedef 簡化：

typedef struct {
    int id;
    char name[50];
} Student;
//接著我們就可以這樣宣告
Student students[3]; // 更簡潔

如果利用typedef簡化結構指標的名稱，方法如下 :

typedef struct {
    int id;
    char name[50];
} *Studentptr;
//Student是結構指標的別名。

範例 :

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 使用 typedef 簡化結構體和指標名稱
typedef struct Student {
    int id;
    char name[10];
} Student, *StudentPtr;

int main() {
    // 使用簡化後的結構體型別
    Student s1 = {101, "Alice"};
    printf("ID: %d, Name: %s\n", s1.id, s1.name);

    // 使用簡化後的指標型別
    StudentPtr sptr = &s1;

    // 透過指標操作結構體
    sptr->id = 102;
    strcpy(sptr->name,"Bob");
    printf("ID: %d, Name: %s\n", sptr->id, sptr->name);

    return 0;
}

結構內所佔的記憶體空間

請你猜一下底下這個結構的記憶體空間為多少?

#include <stdio.h>

struct Example {
    char a;   // 1 byte
    int b;    // 4 bytes
    char c;   // 1 byte
};

int main() {
    printf("Size of struct Example: %lu\n", sizeof(struct Example));
    return 0;
}

你可能會說是1+4+1等於6Bytes，但實際上輸出會是12Bytes，為什麼呢?

• 編譯器會將結構中的每個成員放在其最大資料成員大小倍數的地址上（例如上面例子中， int 最大，所以結構內的記憶體，通常要求 4 字節對齊，即地址必須是 4 的倍數）。
• 若成員之間因對齊而需要插入額外的字節，這些額外的空間稱為填充字節。

所以上面程式碼實際上會輸出1+3(填充字節)+4+1+3(填充字節)。總共等於12。你可能會說，那這樣不就浪費了記憶體空間了嗎? 所以為了改善這點，我們要改變排序的策略:

先說結論: 將變數由小到大或由大到小擺放，可以改善這個情況，減少記憶體浪費。請看以下程式碼:

#include <stdio.h>

struct Example {
    char a;   // 1 byte
    char c;   // 1 byte
    int b;    // 4 bytes
};

int main() {
    printf("Size of struct Example: %lu\n", sizeof(struct Example));
    return 0;
}

這次輸出變為了8Bytes，為什麼呢?

因為現在其記憶體空間變為1+1+2(填充字節)+4，總共等於8。讀者可以記住這個原則，將變數排序，減少記憶體空間的浪費。

union

union 是一種節省空間的數據結構，變數共享相同的記憶體空間。

基本宣告與定義

union UnionName {
    int field1;
    float field2;
    char field3[20];
};

特性：

• 節省內存，只能同一時間儲存一個成員的值。
• 適用於對數據形式有多樣需求但存儲要求較低的場合。
• 不同變數使用後會覆蓋掉原來的記憶體區塊(覆蓋掉現在使用變數的資料型態的記憶體大小)

範例:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;
    printf("%d\n",sizeof(data)); // 輸出20，總共20Bytes共用
    data.i = 10; // 前4Bytes被使用，賦值為10
    printf("Integer: %d\n", data.i);

    data.f = 220.5; // 前4Bytes被使用，賦值為220.5
    printf("Float: %.2f\n", data.f);

    strcpy(data.str,"Hello"); // 前5Bytes被使用，賦值為Hello
    printf("String: %s\n", data.str);

    return 0;
}

注意：data.i 的值會被覆蓋，因為共用體共用內存。

這裡又不得不提union在記憶體中的樣子了，不過這裡我們要先談談位元組順序，位元組順序是指資料在記憶體中的放置順序，不同的 CPU 可能會採用不同的放置規則，若遇到需要在不同機器或是網路之間交換低階的二進位資料時，就必須注意這個問題。

而現今主流的CPU中，最常見的位元放置順序有兩種，分別為Little-Endian(指把最高位的位元組放在最高的記憶體位址上。)和Big-Endian(指資料放進記憶體中的時候，最高位的位元組會放在最低的記憶體位址上)。

請看圖示:

現在下面有一段程式，請觀察一下這是哪一種位元組順序，並觀察數值覆蓋的情況:

#include <stdio.h>

int main()
{
    // 定義一個 union，內部包含一個 4-byte 的整數和一個陣列
    union tag {
        int a;      // 4 bytes 整數
        char b[4];  // 字元陣列
    } data;         // 宣告一個名為 data 的 union 變數

    // 將整數欄位初始化為 0x12345678 (十六進位表示法)
    data.a = 0x12345678;

    // 輸出 union 的大小，以及各欄位的大小
    printf("%d\n", sizeof(data));      // union 的大小，取最大成員的大小
    printf("%d\n", sizeof(data.a));   // 整數欄位的大小
    printf("%d\n", sizeof(data.b));   // 字元陣列的大小
    printf("\n");

    // 輸出整數欄位和第一個字元的值，觀察記憶體儲存順序 (little endian)
    printf("0x%x\n", data.a);         // 輸出整數 a 的值
    printf("0x%x\n", data.b[0]);      // 輸出 b[0] 的值 (低位元組)

    printf("\n");

    // 輸出整個整數的值，並分別輸出每一個位元組的值
    printf("0x%x\n", data.a);         // 顯示整數 a
    printf("0x%x\n", data.b[0]);      // 第一個位元組 (最低位)
    printf("0x%x\n", data.b[1]);      // 第二個位元組
    printf("0x%x\n", data.b[2]);      // 第三個位元組
    printf("0x%x\n", data.b[3]);      // 第四個位元組 (最高位)

    printf("\n");

    // 修改 b[0] 的值，觀察對整個整數的影響
    data.b[0] = 0x99;                 // 修改最低位元組為 0x99
    printf("0x%x\n", data.a);         // 再次輸出整數 a，觀察修改後的變化

    data.b[1] = 0x99;                 // 修改第二個位元組為 0x99
    printf("0x%x\n", data.a);         // 再次輸出整數 a，觀察修改後的變化

    data.b[2] = 0x99;                 // 修改第三個位元組為 0x99
    printf("0x%x\n", data.a);         // 再次輸出整數 a，觀察修改後的變化

    data.b[3] = 0x99;                 // 修改第四個位元組為 0x99
    printf("0x%x\n", data.a);         // 再次輸出整數 a，觀察修改後的變化

    return 0;
}
/* 輸出
4
4
4

0x12345678
0x78

0x12345678
0x78
0x56
0x34
0x12

0x12345699
0x12349999
0x12999999
0x99999999
*/

本次教學到這邊結束，另外，讀者也可以回顧我在指標那一章節所畫的圖示，觀察一下那張圖是哪一種位元組順序。