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【C语言】结构体嵌套

article 2024/12/2 17:49:31

结构体嵌套是指在一个结构体中定义另一个结构体作为其成员。这种方式可以实现更复杂的数据结构设计，便于对数据进行分层管理和组织，广泛应用于实际开发中，例如操作系统内核、嵌入式系统、网络协议解析等。下面是对结构体嵌套的详细介绍，包括语法、用法、内存布局和注意事项。

C语言中的结构体嵌套

1. 定义

语法：

struct Outer {
    struct Inner inner_member;  // 嵌套一个结构体
    int other_member;
};

Outer：外层结构体。
Inner：内层结构体，作为外层结构体的一个成员。

看起来很简单对不对，没错，在编程中，即便是看起来非常复杂的结构其底层也只是由最为简单的模块拼接而成的。结构体嵌套允许我们在一个结构体中通过组合的方式包含另一个结构体，这样，从而构建更复杂的数据结构。

代码片示例：

#include <stdio.h>

// 定义内部结构体
struct Inner {
    int x;
    int y;
};

// 定义外部结构体
struct Outer {
    struct Inner inner_member;  // 嵌套结构体
    int z;
};

int main() {
    struct Outer outer;

    // 初始化嵌套的结构体成员
    outer.inner_member.x = 5;
    outer.inner_member.y = 10;
    outer.z = 15;

    // 打印嵌套结构体成员
    printf("Inner x = %d, y = %d\n", outer.inner_member.x, outer.inner_member.y);
    printf("Outer z = %d\n", outer.z);

    return 0;
}

输出：

Inner x = 5, y = 10
Outer z = 15

2. 结构体嵌套的初始化

2.1 逐个成员初始化： 可以通过指定每个嵌套结构体成员的值来初始化：

struct Outer outer;

outer.inner_member.x = 5;
outer.inner_member.y = 10;
outer.z = 15;

2.2 使用复合字面量（C99支持）： 可以直接通过复合字面量对嵌套结构体进行初始化：

struct Outer outer = {
    .inner_member = {.x = 5, .y = 10},  // 初始化内层结构体
    .z = 15
};

2.3 使用位置初始化
利用结构体成员的声明顺序进行初始化：

struct Outer outer = {{5, 10}, 15};

代码片

#include <stdio.h>

struct Inner {
    int x;
    int y;
};

struct Outer {
    struct Inner inner_member;
    int z;
};

int main() {
    // 使用位置初始化
    struct Outer outer = {{5, 10}, 15};

    printf("Inner x = %d, y = %d\n", outer.inner_member.x, outer.inner_member.y);
    printf("Outer z = %d\n", outer.z);

    return 0;
}

输出：

Inner x = 5, y = 10
Outer z = 15

3. 内存布局

嵌套结构体的内存布局遵循C语言的对齐规则。外层结构体会根据嵌套结构体的大小和对齐要求分配内存。

代码片：

#include <stdio.h>

struct Inner {
    char a;   // 1字节
    int b;    // 4字节
};

struct Outer {
    struct Inner inner_member;  // 嵌套结构体
    double c;                   // 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;
}

内存布局分析（假设 32 位系统，小端存储）：

Inner结构体：
- char a 占 1 字节。
- 为了满足 int b 的 4 字节对齐要求，插入 3 字节填充。
- int b 占 4 字节。
- 总大小为 8 字节（4 的倍数）。
Outer结构体：
- inner_member 占 8 字节。
- double c 占 8 字节，按 8 字节对齐。
- 总大小为 16 字节（8 的倍数）。

输出：

Size of Inner: 8
Size of Outer: 16

4. 匿名结构体嵌套

匿名结构体是指在结构体中嵌套一个不带标签（没有名字）的结构体。匿名结构体的成员可以直接访问，而不需要通过结构体变量名。

代码片

#include <stdio.h>

struct Outer {
    struct {
        int x;
        int y;
    };  // 匿名结构体
    int z;
};

int main() {
    struct Outer outer;

    // 直接访问匿名结构体的成员
    outer.x = 5;
    outer.y = 10;
    outer.z = 15;

    printf("x = %d, y = %d\n", outer.x, outer.y);
    printf("z = %d\n", outer.z);

    return 0;
}

输出：

x = 5, y = 10
z = 15

注意： 匿名结构体的成员名不能与外层结构体的其他成员名冲突。匿名结构体只能在支持 C11标准 的编译器中使用。

5. 结构体嵌套的多级结构

结构体嵌套可以是多级的，即结构体中嵌套另一个结构体，而被嵌套的结构体还可以嵌套其他结构体。

代码片

#include <stdio.h>

// 定义多级嵌套结构体
struct Level3 {
    int l3_data;
};

struct Level2 {
    struct Level3 level3;
    int l2_data;
};

struct Level1 {
    struct Level2 level2;
    int l1_data;
};

int main() {
    struct Level1 level1;

    // 设置多级嵌套结构体的成员
    level1.level2.level3.l3_data = 100;
    level1.level2.l2_data = 200;
    level1.l1_data = 300;

    printf("Level3 data: %d\n", level1.level2.level3.l3_data);
    printf("Level2 data: %d\n", level1.level2.l2_data);
    printf("Level1 data: %d\n", level1.l1_data);

    return 0;
}

输出：

Level3 data: 100
Level2 data: 200
Level1 data: 300

6. 使用结构体指针访问嵌套成员

在实际开发中，通常通过结构体指针访问嵌套结构体的成员，尤其是在嵌套层级较深时。

代码片

#include <stdio.h>

struct Inner {
    int x;
    int y;
};

struct Outer {
    struct Inner inner_member;
    int z;
};

int main() {
    struct Outer outer = {{5, 10}, 15};
    struct Outer *ptr = &outer;

    // 使用指针访问嵌套结构体成员
    printf("Inner x = %d, y = %d\n", ptr->inner_member.x, ptr->inner_member.y);
    printf("Outer z = %d\n", ptr->z);

    return 0;
}