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【C语言】结构体详解 -《探索C语言的 “小宇宙” 》

2024-12-02 24
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简介： 结构体通过`struct`关键字定义。定义结构体时，需要指定结构体的名称以及结构体内部的成员变量。

C语言结构体（struct）详解

结构体概览表

功能 描述
定义结构体 定义一个结构体类型
声明结构体变量 声明一个结构体变量
访问成员 使用点运算符（.）和箭头运算符（->）访问成员
初始化结构体 在声明时初始化结构体
计算大小 使用sizeof计算结构体的大小
作为函数参数 传递结构体或结构体指针作为函数参数
结构体嵌套 结构体中包含其他结构体
结构体与数组 结构体作为数组元素或包含数组的成员
内存对齐 结构体的内存对齐和填充
类型定义（typedef） 使用typedef简化结构体声明
嵌入式应用 在嵌入式系统中使用结构体
拓展技巧 结构体指针运算和联合体比较

1. 结构体的基本概念

1.1 结构体定义

结构体通过struct关键字定义。定义结构体时，需要指定结构体的名称以及结构体内部的成员变量。

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

在上面的示例中，定义了一个Person结构体，其中包含三个成员：name（字符数组）、age（整数）和height（浮点数）。

1.2 结构体变量声明

定义结构体后，可以声明结构体变量来使用它。例如：

struct Person person1;

这里声明了一个Person结构体类型的变量person1。

2. 结构体成员的访问

2.1 使用点运算符（.）访问成员

可以通过点运算符（.）访问结构体的成员变量。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
   
    struct Person person1;

    // 初始化结构体成员
    person1.age = 25;
    person1.height = 175.5;
    snprintf(person1.name, sizeof(person1.name), "Alice");

    // 输出结构体成员
    printf("Name: %s\n", person1.name);
    printf("Age: %d\n", person1.age);
    printf("Height: %.2f\n", person1.height);

    return 0;
}

输出

Name: Alice
Age: 25
Height: 175.50

2.2 使用箭头运算符（->）访问成员

如果结构体变量是指针类型，则可以通过箭头运算符（->）访问其成员。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

void printPerson(struct Person *p) {
   
    printf("Name: %s\n", p->name);
    printf("Age: %d\n", p->age);
    printf("Height: %.2f\n", p->height);
}

int main() {
   
    struct Person person1 = {
   "Bob", 30, 180.0};
    struct Person *ptr = &person1;

    printPerson(ptr);

    return 0;
}

输出

Name: Bob
Age: 30
Height: 180.00

3. 结构体的初始化

3.1 结构体初始化

可以在定义结构体变量的同时进行初始化。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
   
    struct Person person2 = {
   "Alice", 30, 160.0};

    printf("Name: %s\n", person2.name);
    printf("Age: %d\n", person2.age);
    printf("Height: %.2f\n", person2.height);

    return 0;
}

输出

Name: Alice
Age: 30
Height: 160.00

3.2 使用指定初始化器

C99标准引入了指定初始化器，可以按顺序或指定成员进行初始化。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
   
    struct Person person3 = {
   .age = 40, .height = 180.0, .name = "Bob"};

    printf("Name: %s\n", person3.name);
    printf("Age: %d\n", person3.age);
    printf("Height: %.2f\n", person3.height);

    return 0;
}

输出

Name: Bob
Age: 40
Height: 180.00

4. 结构体的大小

结构体的大小取决于其成员的数量和类型，以及内存对齐的规则。可以使用sizeof运算符来获取结构体的大小。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

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

输出

在不同平台上的输出可能不同，例如：

  • 32位系统：Size of Person: 60 bytes
  • 64位系统：Size of Person: 64 bytes

5. 结构体作为函数参数

5.1 传递结构体的副本

结构体可以作为函数参数传递。如果传递的是结构体的副本，则会创建结构体的一个副本，可能会影响性能。

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

void printPerson(struct Person p) {
   
    printf("Name: %s\n", p.name);
    printf("Age: %d\n", p.age);
    printf("Height: %.2f\n", p.height);
}

int main() {
   
    struct Person person1 = {
   "Alice", 30, 160.0};
    printPerson(person1);

    return 0;
}

输出

Name: Alice
Age: 30
Height: 160.00

5.2 传递结构体指针

为了提高效率，可以将结构体的指针传递给函数，这样只需传递指针而不是整个结构体。

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

void updateAge(struct Person *p, int newAge) {
   
    p->age = newAge;
}

int main() {
   
    struct Person person1 = {
   "Bob", 30, 180.0};
    updateAge(&person1, 35);

    printf("Updated Age: %d\n", person1.age);

    return 0;
}

输出

Updated Age: 35

6. 结构体的嵌套

结构体可以嵌套其他结构体。例如：

#include <stdio.h>

struct Address {
   
    char street[100];
    char city[50];
    int postalCode;
};

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    struct Address address;  // 嵌套的结构体
};

int main() {
   
    struct Person person4 = {
   
        "John",
        28,
        {
   "123 Main St", "Metropolis", 12345}
    };

    printf("Name: %s\n", person4.name);
    printf("Address: %s, %s %d\n", person4.address.street, person4.address.city, person4.address.postalCode);

    return 0;
}

输出

Name: John
Address: 123 Main St, Metropolis 12345

7. 结构体与数组

结构体可以作为数组的元素，也可以包含数组作为成员。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
   
    struct Person people[2] = {
   
        {
   "Alice", 30, 160.0},
        {
   "Bob", 40, 180.0}
    };

    for (int i = 0; i < 2; i++) {
   
        printf("Person %d: %s, %d, %.2f\n", i+1, people[i].name, people[i].age, people[i].height);
    }

    return 0;
}

输出

Person 1: Alice, 30, 160.00
Person 2: Bob, 40, 180.00

8. 结构体的内存对齐

结构体的内存对齐与填充是为了提高数据访问的效率。在C语言中，结构体的内存布局可能会受到对齐要求的影响，导致结构体的实际大小可能大于成员变量总和的大小。编译器通常会在成员之间插入填充字节，以确保每个成员的地址对齐。

8.1 对齐示例

#include <stdio.h>

struct Example {
   
    char c;       // 1 byte
    int i;        // 4 bytes, 3 bytes of padding
    short s;      // 2 bytes
};

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

输出

Size of Example: 12 bytes

在这个例子中，Example结构体的大小是12字节。虽然char占1字节，int占4字节，short占2字节，成员变量的总和为7字节，但由于内存对齐要求，Example结构体实际上占用12字节。

8.2 结构体对齐与#pragma pack

在某些情况下，可以使用#pragma pack指令来控制结构体的对齐方式，从而减少内存占用。

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)  // 设置结构体对齐为1字节

struct PackedExample {
   
    char c;
    int i;
    short s;
};

#pragma pack()  // 恢复默认对齐

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

输出

Size of PackedExample: 7 bytes

使用#pragma pack(1)可以将PackedExample结构体的对齐方式设置为1字节，从而减少结构体的实际大小为7字节，但可能会影响访问效率。

9. 类型定义（typedef）简化结构体声明

使用typedef可以为结构体定义一个新的类型名，使得结构体的声明更加简洁。例如：

#include <stdio.h>

typedef struct {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
} Person;

int main() {
   
    Person person1 = {
   "Charlie", 28, 175.0};

    printf("Name: %s\n", person1.name);
    printf("Age: %d\n", person1.age);
    printf("Height: %.2f\n", person1.height);

    return 0;
}

输出

Name: Charlie
Age: 28
Height: 175.00

10. 嵌入式系统中的应用

在嵌入式系统中，结构体用于管理硬件寄存器、配置参数以及存储设备状态等。结构体能够帮助开发者以更结构化的方式访问硬件资源，提高代码的可读性和维护性。

10.1 示例：硬件寄存器配置

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// 定义硬件寄存器配置结构体
typedef struct {
   
    volatile uint32_t CONTROL;
    volatile uint32_t STATUS;
    volatile uint32_t DATA;
} UART_RegDef_t;

int main() {
   
    UART_RegDef_t UART1;  // 假设这是一个UART寄存器的实例

    // 设置UART寄存器
    UART1.CONTROL = 0x01;  // 启用UART
    UART1.STATUS = 0x00;   // 清除状态
    UART1.DATA = 0x55;     // 发送数据

    // 打印寄存器的配置
    printf("UART1 CONTROL: 0x%X\n", UART1.CONTROL);
    printf("UART1 STATUS: 0x%X\n", UART1.STATUS);
    printf("UART1 DATA: 0x%X\n", UART1.DATA);

    return 0;
}

输出

UART1 CONTROL: 0x1
UART1 STATUS: 0x0
UART1 DATA: 0x55

在这个示例中，结构体UART_RegDef_t用于表示UART寄存器的配置，包含CONTROL、STATUS和DATA寄存器。通过这种方式，可以方便地设置和读取寄存器的值。

11. 拓展技巧

11.1 结构体指针的算术运算

可以对结构体指针进行算术运算，通常用于数组访问。例如：

#include <stdio.h>

struct Person {
   
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
   
    struct Person people[3] = {
   
        {
   "Alice", 30, 160.0},
        {
   "Bob", 40, 180.0},
        {
   "Charlie", 25, 170.0}
    };

    struct Person *ptr = people;  // 指向结构体数组的指针

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
   
        printf("Person %d: %s, %d, %.2f\n", i+1, (ptr+i)->name, (ptr+i)->age, (ptr+i)->height);
    }

    return 0;
}

输出

Person 1: Alice, 30, 160.00
Person 2: Bob, 40, 180.00
Person 3: Charlie, 25, 170.00

11.2 结构体与联合体（union）的比较

结构体和联合体都可以存储多个数据项，但结构体的每个成员都占有独立的内存空间，而联合体的所有成员共享同一块内存。使用结构体时每个成员都可用，而使用联合体时只有一个成员可以使用。

示例：结构体与联合体的比较

#include <stdio.h>

typedef union {
   
    int intValue;
    float floatValue;
    char charValue;
} UnionType;

typedef struct {
   
    int intValue;
    float floatValue;
    char charValue;
} StructType;

int main() {
   
    UnionType u;
    StructType s;

    u.intValue = 10;
    printf("Union intValue: %d\n", u.intValue);

    u.floatValue = 5.5;  // 修改联合体中的值
    printf("Union floatValue: %f\n", u.floatValue);
    // 注意：这时intValue的值是不确定的

    s.intValue = 10;
    s.floatValue = 5.5;
    s.charValue = 'A';
    printf("Struct intValue: %d\n", s.intValue);
    printf("Struct floatValue: %f\n", s.floatValue);
    printf("Struct charValue: %c\n", s.charValue);

    return 0;
}

输出

Union intValue: 10
Union floatValue: 5.500000
Struct intValue: 10
Struct floatValue: 5.500000
Struct charValue: A

7. 结束语

  1. 本节内容已经全部介绍完毕，希望通过这篇文章，大家对C语言中的结构体 struct 有了更深入的理解和认识。
  2. 感谢各位的阅读和支持，如果觉得这篇文章对你有帮助，请不要吝惜你的点赞和评论，这对我们非常重要。再次感谢大家的关注和支持！
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