【C语言】结构体篇

结构体的定义

结构体是一种自定义的数据类型，它把不同类型的数据组合成一个整体，方便管理和操作相关的数据。在定义结构体时，使用 struct 关键字，后面跟着结构体的名称，再用花括号 {} 包含结构体的成员列表，每个成员由数据类型和成员名组成，成员之间用分号 ; 分隔。

struct 结构体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    // 可以有更多成员
};

例如，定义一个描述图书信息的结构体：

struct Book {
    char title[100];  // 书名，用字符数组存储
    char author[50];  // 作者，用字符数组存储
    int year;         // 出版年份，用整数存储
    float price;      // 价格，用浮点数存储
};

注意事项和细节

• 结构体名的命名规则：遵循标识符的命名规则，不能与关键字重名，尽量使用有意义的名称，以提高代码的可读性。
• 结构体定义结束的分号：结构体定义的末尾必须有分号 ;，这是 C 语言语法的要求。
• 结构体只是一种类型定义：定义结构体本身并不分配内存，只是告诉编译器这种新的数据类型的组成结构。

结构体变量的声明和初始化

声明结构体变量

先定义结构体，再声明变量：这是最常见的方式，先定义好结构体类型，然后在需要使用的地方声明该类型的变量。

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    int year;
    float price;
};
struct Book book1;  // 声明一个 Book 类型的变量 book1

在定义结构体的同时声明变量：这种方式在定义结构体的同时就声明了变量，适用于只在当前代码块使用该结构体类型的情况。

struct Movie {
    char name[80];
    int duration;
} movie1, movie2;  // 定义 Movie 结构体的同时声明了两个变量 movie1 和 movie2

使用匿名结构体声明变量：匿名结构体没有结构体名，只能在定义时声明变量，之后无法再声明该类型的其他变量，使用场景较少。

struct {
    int x;
    int y;
} point;  // 声明一个匿名结构体类型的变量 point

初始化结构体变量

按成员顺序初始化：按照结构体定义中成员的顺序，依次为每个成员赋值。

struct Book book2 = {"C Programming", "John Doe", 2020, 29.99};

指定成员名初始化（C99 及以后支持）：可以不按照成员的顺序，通过指定成员名来初始化，提高代码的可读性和可维护性。

struct Book book3 = {.author = "Jane Smith", .title = "Data Structures", .year = 2021, .price = 39.99};

注意事项和细节

• 成员顺序初始化时的匹配：按成员顺序初始化时，提供的值的类型和顺序必须与结构体成员的类型和顺序一致。
• 部分初始化：如果只初始化部分成员，未初始化的成员将被自动初始化为 0（对于数值类型）或空字符（对于字符类型）。

struct Book book4 = {"Python Basics"};  // 只初始化了 title 成员，其他成员自动初始化为 0 或空字符

• 匿名结构体的局限性：匿名结构体无法在其他地方再次使用，因为没有结构体名，不利于代码的复用。

访问结构体成员

使用点运算符 . 来访问结构体变量的成员。点运算符的左边是结构体变量名，右边是结构体的成员名。

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

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    int year;
    float price;
};

int main() {
    struct Book book;
    strcpy(book.title, "Java Programming");  // 给 title 成员赋值
    strcpy(book.author, "Mark Johnson");     // 给 author 成员赋值
    book.year = 2019;                        // 给 year 成员赋值
    book.price = 49.99;                      // 给 price 成员赋值

    printf("Title: %s\n", book.title);
    printf("Author: %s\n", book.author);
    printf("Year: %d\n", book.year);
    printf("Price: %.2f\n", book.price);

    return 0;
}

注意事项和细节

• 成员访问的合法性：只能访问结构体中已经定义的成员，访问不存在的成员会导致编译错误。
• 字符数组成员的赋值：对于字符数组类型的成员，不能直接使用赋值运算符 = 进行赋值，需要使用 strcpy 等字符串处理函数。

结构体数组

结构体数组是由多个相同结构体类型的元素组成的数组。可以将多个相关的结构体变量组织在一起，方便进行批量处理。

#include <stdio.h>

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    int year;
    float price;
};

int main() {
    struct Book books[3] = {
        {"C++ Primer", "Stanley Lippman", 2012, 79.99},
        {"Effective Java", "Joshua Bloch", 2018, 59.99},
        {"The Pragmatic Programmer", "Andrew Hunt", 2019, 49.99}
    };

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("Book %d:\n", i + 1);
        printf("Title: %s\n", books[i].title);
        printf("Author: %s\n", books[i].author);
        printf("Year: %d\n", books[i].year);
        printf("Price: %.2f\n", books[i].price);
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

注意事项和细节

• 数组大小的确定：在声明结构体数组时，需要明确指定数组的大小，或者在初始化时由编译器根据初始化列表的元素个数自动确定。
• 数组元素的访问：通过数组下标访问结构体数组的元素，再使用点运算符访问元素的成员。
  内存连续性：结构体数组的元素在内存中是连续存储的，这有利于提高访问效率。

结构体指针

可以定义指向结构体的指针，通过指针来访问结构体的成员。使用 -> 运算符来访问指针所指向结构体的成员，-> 运算符是 (*指针).成员 的简写形式。

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

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    int year;
    float price;
};

int main() {
    struct Book book = {"JavaScript: The Definitive Guide", "David Flanagan", 2020, 69.99};
    struct Book *p = &book;  // 定义一个指向 Book 结构体的指针 p，并指向 book 变量

    printf("Title: %s\n", p->title);
    printf("Author: %s\n", p->author);
    printf("Year: %d\n", p->year);
    printf("Price: %.2f\n", p->price);

    return 0;
}

注意事项和细节

• 指针的初始化：在使用结构体指针之前，必须先将其初始化为一个有效的结构体变量的地址，否则会导致未定义行为。
• -> 运算符的使用：-> 运算符用于通过指针访问结构体成员，避免了使用 (*指针).成员 这种较为繁琐的写法。
• 动态内存分配：可以使用 malloc、calloc 等函数动态分配结构体的内存，并使用指针来管理。

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

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    int year;
    float price;
};

int main() {
    struct Book *p = (struct Book *)malloc(sizeof(struct Book));
    if (p == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!\n");
        return 1;
    }

    strcpy(p->title, "Python Crash Course");
    strcpy(p->author, "Eric Matthes");
    p->year = 2015;
    p->price = 39.99;

    printf("Title: %s\n", p->title);
    printf("Author: %s\n", p->author);
    printf("Year: %d\n", p->year);
    printf("Price: %.2f\n", p->price);

    free(p);  // 释放动态分配的内存
    return 0;
}

结构体嵌套

结构体可以嵌套，即一个结构体的成员可以是另一个结构体类型。通过结构体嵌套，可以更复杂地组织数据。

#include <stdio.h>

struct Date {
    int year;
    int month;
    int day;
};

struct Book {
    char title[100];
    char author[50];
    struct Date publishDate;  // 嵌套 Date 结构体
    float price;
};

int main() {
    struct Book book = {
        "The C Programming Language",
        "Brian Kernighan",
        {1978, 2, 22},  // 初始化嵌套的 Date 结构体
        29.99
    };

    printf("Title: %s\n", book.title);
    printf("Author: %s\n", book.author);
    printf("Publish Date: %d-%d-%d\n", book.publishDate.year, book.publishDate.month, book.publishDate.day);
    printf("Price: %.2f\n", book.price);

    return 0;
}

注意事项和细节

• 嵌套结构体的初始化：在初始化包含嵌套结构体的结构体变量时，需要按照嵌套的层次依次初始化。
• 成员访问的层次：访问嵌套结构体的成员时，需要使用多个点运算符，从外层结构体逐步访问到内层结构体的成员。
• 内存布局：嵌套结构体的内存布局是按照成员的定义顺序依次分配的，嵌套结构体的成员也遵循内存对齐的规则。

结构体作为函数参数

值传递

将结构体变量的值复制一份传递给函数，函数内部对参数的修改不会影响原结构体变量。

#include <stdio.h>

struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 函数接受一个 Point 结构体作为参数
void printPoint(struct Point p) {
    printf("Point: (%d, %d)\n", p.x, p.y);
}

int main() {
    struct Point p = {3, 4};
    printPoint(p);  // 传递结构体变量 p 的值给函数
    return 0;
}

注意事项和细节

• 内存开销：值传递会复制整个结构体变量，当结构体较大时，会占用较多的内存和时间。
• 数据的独立性：函数内部对参数的修改不会影响原结构体变量，保证了数据的独立性。

指针传递

将结构体变量的地址传递给函数，函数内部可以通过指针修改原结构体变量的值。

#include <stdio.h>

struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 函数接受一个指向 Point 结构体的指针作为参数
void movePoint(struct Point *p, int dx, int dy) {
    p->x += dx;
    p->y += dy;
}

int main() {
    struct Point p = {3, 4};
    movePoint(&p, 1, 2);  // 传递结构体变量 p 的地址给函数
    printf("New Point: (%d, %d)\n", p.x, p.y);
    return 0;
}

注意事项和细节

• 内存开销小：指针传递只传递结构体变量的地址，不复制整个结构体，内存开销小。
• 数据的修改：函数内部可以通过指针修改原结构体变量的值，需要注意避免意外修改数据。
• 指针的有效性：在函数内部使用指针时，需要确保指针指向的是有效的结构体变量，避免空指针引用。

结构体的内存对齐

结构体的成员在内存中并不是连续存储的，编译器会根据成员的类型和平台的要求进行内存对齐，以提高访问效率。内存对齐的规则如下：

• 结构体的第一个成员的偏移量为 0。
• 每个成员的偏移量必须是该成员类型大小的整数倍。
• 结构体的总大小必须是最大成员类型大小的整数倍。

#include <stdio.h>

struct Example {
    char c;  // 1 字节
    int i;   // 4 字节
    char d;  // 1 字节
};

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

在这个例子中，由于内存对齐的原因，struct Example 的大小可能不是 6 字节（1 + 4 + 1），而是 12 字节。char c 从偏移量 0 开始存储，占 1 个字节；int i 由于偏移量必须是 4 的整数倍，所以从偏移量 4 开始存储，占 4 个字节；char d 从偏移量 8 开始存储，占 1 个字节；为了满足结构体总大小是最大成员类型大小（4 字节）的整数倍，结构体的总大小为 12 字节。

注意事项和细节

• 内存浪费：内存对齐会导致一定的内存浪费，特别是当结构体中包含不同大小的成员时。
• 平台相关性：不同的平台和编译器可能有不同的内存对齐规则，因此结构体的大小可能会有所不同。
• 调整对齐方式：可以使用 #pragma pack 指令来调整结构体的对齐方式，但这可能会影响访问效率。

位域

位域允许在一个结构体中以位为单位来指定成员所占的存储空间，用于节省内存。

#include <stdio.h>

struct Flags {
    unsigned int flag1 : 1;  // 占 1 位
    unsigned int flag2 : 1;  // 占 1 位
    unsigned int flag3 : 1;  // 占 1 位
    unsigned int flag4 : 1;  // 占 1 位
};

int main() {
    struct Flags f;
    f.flag1 = 1;
    f.flag2 = 0;
    f.flag3 = 1;
    f.flag4 = 0;

    printf("Flag1: %d\n", f.flag1);
    printf("Flag2: %d\n", f.flag2);
    printf("Flag3: %d\n", f.flag3);
    printf("Flag4: %d\n", f.flag4);

    return 0;
}

在这个例子中，struct Flags 的四个成员 flag1、flag2、flag3 和 flag4 各占 1 位，总共只占 1 个字节的存储空间。

注意事项和细节

• 位域的类型：位域的类型必须是 int、unsigned int 或 signed int，有些编译器也支持 char 类型。
• 位域的宽度：位域的宽度不能超过其类型的大小，例如 unsigned int 类型的位域宽度不能超过 32 位。
• 位域的可移植性：位域的实现可能因编译器和平台而异，因此位域的使用可能会影响代码的可移植性。
• 未命名位域：可以使用未命名的位域来填充字节，以达到特定的对齐要求。

struct Example {
    unsigned int flag1 : 1;
    unsigned int : 3;  // 未命名位域，占 3 位
    unsigned int flag2 : 1;
};