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C语言结构体最全讲解

EDN电子技术设计  · 公众号  ·  · 2024-12-11 17:24

正文

结构体的定义

结构体(struct)是由一系列具有相同类型或不同类型的数据构成的数据集合,也叫结构。


结构体和其他类型基础数据类型一样,例如int类型,char类型只不过结构体可以做成你想要的数据类型。以方便日后的使用。

在实际项目中,结构体是大量存在的。研发人员常使用结构体来封装一些属性来组成新的类型。由于C语言无法操作数据库,所以在项目中通过对结构体内部变量的操作将大量的数据存储在内存中,以完成对数据的存储和操作。

在实际问题中有时候我们需要几种数据类型一起来修饰某个变量。

例如一个学生的信息就需要学号(字符串),姓名(字符串),年龄(整形)等等。

这些数据类型都不同但是他们又是表示一个整体,要存在联系,那么我们就需要一个新的数据类型。

——结构体,它就将不同类型的数据存放在一起,作为一个整体进行处理。

结构体在函数中的作用不是简便,其最主要的作用就是封装。封装的好处就是可以再次利用。让使用者不必关心这个是什么,只要根据定义使用就可以了。

结构体的大小不是结构体元素单纯相加就行的,因为我们现在主流的计算机使用的都是32Bit字长的CPU,对这类型的CPU取4个字节的数要比取一个字节要高效,也更方便。所以在结构体中每个成员的首地址都是4的整数倍的话,取数据元素时就会相对更高效,这就是内存对齐的由来。每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过预编译命令#pragmapack(n),n=1,2,4,8,16来改变这一系数,其中的n就是你要指定的“对齐系数”。

规则

1、数据成员对齐规则:结构(struct)(或联合(union))的数据成员,第一个数据成员放在offset为0的地方,以后每个数据成员的对齐按照#pragmapack指定的数值和这个数据成员自身长度中,比较小的那个进行。

2、结构(或联合)的整体对齐规则:在数据成员完成各自对齐之后,结构(或联合)本身也要进行对齐,对齐将按照#pragmapack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中,比较小的那个进行。

3、结合1、2可推断:当#pragmapack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候,这个n值的大小将不产生任何效果。

在C语言中,可以定义结构体类型,将多个相关的变量包装成为一个整体使用。在结构体中的变量,可以是相同、部分相同,或完全不同的数据类型。在C语言中,结构体不能包含函数。在面向对象的程序设计中,对象具有状态(属性)和行为,状态保存在成员变量中,行为通过成员方法(函数)来实现。C语言中的结构体只能描述一个对象的状态,不能描述一个对象的行为。在C++中,考虑到C语言到C++语言过渡的连续性,对结构体进行了扩展,C++的结构体可以包含函数,这样,C++的结构体也具有类的功能,与class不同的是,结构体包含的函数默认为public,而不是private。

结构体声明

//声明一个结构体 struct book {char title[MAXTITL];//一个字符串表示的titile 题目 ;char author[MAXAUTL];//一个字符串表示的author作者 ;float value;//一个浮点型表示的value价格;};//注意分号不能少,这也相当于一条语句;

这个声明描述了一个由两个字符数组和一个float变量组成的结构体。

但是注意,它并没有创建一个实际的数据对象,而是描述了一个组成这类对象的元素。

因此,我们有时候也将结构体声明叫做模板,因为它勾勒出数据该如何存储,并没有实例化数据对象。

下面介绍一下上面的结构体声明;

1、首先使用关键字struct,它表示接下来是一个结构体。

2、后面是一个可选的标志(book),它是用来引用该结构体的快速标记。
因此我们以后就可以这样创建数据对象

struct book library;//把library设为一个可以使用book结构体的结构体变量,则library这个变量就包含了其book结构体中的所有元素

3、接下来就是一个花括号,括起了结构体成员列表,及每个成员变量,使用的都是其自己的声明方式来描述,用分号来结束描述;

例如:char title[MAXTITL];字符数组就是这样声明的,用分号结束;
注意:其中每个成员可以使用任何一种C数据结构甚至是其他的结构体,也是可以的;

4、在结束花括号后的分号表示结构体设计定义的结束。

关于其struct声明的位置,也就是这段代码要放到哪里。 同样这也是具有作用域的。

这种声明如果放在任何函数的外面,那么则可选标记可以在本文件中,该声明的后面的所有函数都可以使用。

如果这种声明在某个函数的内部,则它的标记只能在内部使用,并且在其声明之后;


关于我们不断说的,标记名是可选的,那么我们什么时候可以省略,什么时候一定不能省略呢?

如果是上面那种声明定义的方法,并且想在一个地方定义结构体设计,而在其他地方定义实际的结构体变量,那么就必须使用标记;

可以省略,设计的同时就创建该结构体变量,但是这种设计是一次性的。

一般格式就是:

struct 结构体名(也就是可选标记名){    成员变量;};//使用分号表示定义结束。

C语言结构体定义的三种方式


1、最标准的方式:
#include struct student //结构体类型的说明与定义分开。声明{int age; /*年龄*/float score; /*分数*/char sex; /*性别*/};int main (){struct student a={ 20,79,'f'}; //定义printf("年龄:%d 分数:%.2f 性别:%c\n", a.age, a.score, a.sex );return 0;

2、不环保的方式
#include struct student /*声明时直接定义*/{int age; /*年龄*/float score; /*分数*/ char sex; /*性别*//*这种方式不环保,只能用一次*/} a={21,80,'n'};int main (){printf("年龄:%d 分数:%.2f 性别:%c\n", a.age, a.score, a.sex );

3、最奈何人的方式
#include struct //直接定义结构体变量,没有结构体类型名。这种方式最烂{int age;float score;char sex;} t={21,79,'f'};int main (){printf("年龄:%d 分数:%f 性别:%c\n", t.age, t.score, t.sex);return 0;}return 0;}}

定义结构体变量

之前我们结构体类型的定义(结构体的声明)只是告诉编译器该如何表示数据,但是它没有让计算机为其分配空间。

我们要使用结构体,那么就需要创建变量,也就是结构体变量;

创建一个结构体变量;
struct book library;

看到这条指令,编译器才会创建一个结构体变量library,此时编译器才会按照book模板为该变量分配内存空间,并且这里存储空间都是以这个变量结合在一起的。

这也是后面访问结构体变量成员的时候,我们就要用到结构体变量名来访问。

分析:

struct book的作用:

在结构体声明中,struct book所起到的作用就像int,,,,等基础数据类型名作用一样。

struct book s1,s2,*ss;

定义两个struct book结构体类型的结构体变量,还定义了一个指向该结构体的指针,其ss指针可以指向s1,s2,或者任何其他的book结构体变量。

其实;

struct book library;

等效于;

struct book{char … …. ….. }librar;

这两种是等效的,只是第一种可以减少代码的编写量;

现在还是回到刚才提及的那个问题,可选标志符什么时候可以省略;

其一;

struct{char title[MAXTITL]; char author[MAXAUTL];float value;}library;

//注意这里不再是定义声明结构体类型,而是直接创建结构体变量了,这个编译器会分配内存的;

//这样的确可以省略标识符也就是结构体名,但是只能使用一次;因为这是;声明结构体的过程和定义结构体变量的过程和在了一起;并且个成员变量没有初始化的;

//如果你想多次使用一个结构体模块,这样子是行不通的;

其二;

用typedef定义新类型名来代替已有类型名,即给已有类型重新命名;

一般格式为;typedef 已有类型 新类型名;

typedef int Elem; typedef struct{int date; ..... .....}STUDENT;STUDENT stu1,stu2;


总结一下关于结构体变量的定义;

1、先定义结构体类型后再定义结构体变量;

格式为;struct 结构体名 变量名列表;

struct book s1,s2,*ss;//注意这种之前要先定义结构体类型后再定义变量;

2、 在定义结构体类型的同时定义结构体变量;

格式为;

struct 结构体名{成员列表;}变量名列表;//这里结构体名是可以省的,但尽量别省;struct book{char title[MAXTITL];//一个字符串表示的titile 题目 ;char author[MAXAUTL];//一个字符串表示的author作者 ;float value;//一个浮点型表示的value价格;}s1,s2

直接定义结构体类型变量,就是第二种中省略结构体名的情况;

这种方式不能指明结构体类型名而是直接定义结构体变量,并且在值定义一次结构体变量时适用,无结构体名的结构体类型是无法重复使用的。

也就是说,后面程序不能再定义此类型变量了,除非再写一次重复的struct。

对于结构体变量的初始化

先回忆一下关于基本数据类型和数组类型的初始化;
int a = 0;int array[4] = {1,2,3,4};//每个元素用逗号隔开

回忆一下数组初始化问题;


再回到结构体变量的初始化吧?

关于结构体变量的初始化与初 始化数组类似;

也是使用花括号括起来,用逗号分隔的初始化好项目列表,注意每个初始化项目必须要和要初始化的结构体成员类型相匹配。

struct book s1={//对结构体初始化 "yuwen",//title为字符串 "guojiajiaoyun",//author为字符数组 22.5 //value为flaot型 };//要对应起来,用逗号分隔开来,与数组初始化一样;

加入一点小知识;关于结构体初始化和存储类时期的问题;如果要初始化一个具有静态存储时期的结构体,初始化项目列表中的值必须是常量表达式;

注意如果在定义结构体变量的时候没有初始化,那么后面就不能全部一起初始化了;意思就是:

/////////这样是可以的,在定义变量的时候就初始化了;struct book s1={//对结构体初始化 "guojiajiaoyun",//author为字符数组 "yuwen",//title为字符串 22.5 };/////////这种就不行了,在定义变量之后,若再要对变量的成员赋值,那么只能单个赋值了;struct book s1; s1={ "guojiajiaoyun",//author为字符数组 "yuwen",//title为字符串 22.5};//这样就是不行的,只能在定义的时候初始化才能全部赋值,之后就不能再全体赋值了,只能单个赋值;
只能;
s1.title = "yuwen";........//单个赋值;

对于结构体的指定初始化;


访问结构体成员

结构体就像一个超级数组,在这个超级数组内,一个元素可以是char类型,下个元素就可以是flaot类型,再下个还可以是int数组型,这些都是存在的。

在数组里面我们通过下标可以访问一个数组的各个元素,那么如何访问结构体中的各个成员呢?

用结构成员运算符点(.)就可以了;

结构体变量名.成员名;

注意,点其结合性是自左至右的,它在所有的运算符中优先级是最高的;

例如,s1.title指的就是s1的title部分,s1.author指的就是s1的author部分,s1.value指的就是s1的value部分。

然后就可以像字符数组那样使用s1.title,像使用float数据类型一样使用s1.value;

注意,s1;虽然是个结构体,但是s1.value却是float型的。

因此s1.value就相当于float类型的变量名一样,按照float类型来使用;

例如;printf(“%s\n%s\n%f”,s1.title,s1.author,s1.value);//访问结构体变量元素

注意scanf(“%d”,&s1.value); 这语句存在两个运算符,&和结构成员运算符点。

按照道理我们应该将(s1。value括起来,因为他们是整体,表示s1的value部分)但是我们不括起来也是一样的,因为点的优先级要高于&。

如果其成员本身又是一种结构体类型,那么可以通过若干个成员运算符,一级一级的找到最低一级成员再对其进行操作;

结构体变量名.成员.子成员………最低一级子成员;

struct date{int year;int month;int day;};struct student{char name[10];struct date birthday;}student1;//若想引用student的出生年月日,可表示为;student.brithday.year;brithday是student的成员;year是brithday的成员;

整体与分开

可以将一个结构体变量作为一个整体赋值给另一相同类型的结构体变量,可以到达整体赋值的效果;这个成员变量的值都将全部整体赋值给另外一个变量;

不能将一个结构体变量作为一个整体进行输入和输出;在输入输出结构体数据时,必须分别指明结构体变量的各成员;


小结:除去“相同类型的结构体变量可以相互整体赋值”外,其他情况下,不能整体引用,只能对各个成员分别引用;

结构体长度

数据类型的字节数:
16位编译器

char : 1个字节

char*(即指针变量): 2个字节
short int : 2个字节
int: 2个字节
unsigned int : 2个字节
float: 4个字节
double: 8个字节
long: 4个字节
long long: 8个字节
unsigned long: 4个字节

32位编译器

char : 1个字节
char*(即指针变量): 4个字节(32位的寻址空间是2^32, 即32个bit,也就是4个字节。
同理64位编译器)
short int : 2个字节
int: 4个字节
unsigned int : 4个字节
float: 4个字节
double: 8个字节
long: 4个字节 long long: 8个字节
unsigned long: 4个字节

那么,下面这个结构体类型占几个字节呢?
typedef struct{char addr;char name;int id;}PERSON;

通过printf("PERSON长度=%d字节\n",sizeof(PERSON));可以看到结果:


结构体字节对齐

通过下面的方式,可以清楚知道为什么是8字节。

1、定义20个char元素的数组
char ss[20]={0x10,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,0x16,0x17,0x18,0x19,0x20,0x21,0x22,0x23,0x24,0x25,0x26,0x27,0x28,0x29};

2、定义结构体类型的指针ps指向ss数组
PERSON *ps=(PERSON *)ss;

3、打印输出各个成员
printf("0x%02x,0x%02x,0x%02x\n",ps->addr,ps->name,ps->id);printf("PERSON长度=%d字节\n",sizeof(PERSON));



可以看到addr和name都只占一个字节,但是未满4字节,跳过2字节后才是id的值,这就是4字节对齐。结构体成员有int型,会自动按照4字节对齐。



把结构体成员顺序调换位置,

typedef struct{char addr;int id;char name;}PERSON;

输出:




按照下面的顺序排列:

typedef struct{int id;char addr; char name;}PERSON;

输出:


可见,结构体成员顺序优化,可节省空间。

如果全部成员都是char型,会按照1字节对齐,即

typedef struct{char addr;char name; char id;}PERSON;

输出结果:




结构体嵌套

结构体嵌套结构体方式:
typedef struct{char addr;char name; int id;}PERSON;typedef struct{char age; PERSON ps1;}STUDENT;

先定义结构体类型PERSON,再定义结构体STUDENT,PERSON作为它的一个成员。

按照前面的方法,打印各成员的值。

1、定义STUDENT 指针变量指向数组ss
STUDENT *stu=(STUDENT *)ss;

2、打印输出各成员和长度
printf("0x%02x,0x%02x,0x%02x,0x%02x\n",stu->ps1.addr,stu->ps1.name,stu->ps1.id,stu->age);printf("STUDENT长度=%d字节\n",sizeof(STUDENT));


调换STUDENT成员顺序,即

typedef struct{ PERSON ps1;char age;}STUDENT;

输出结果:


结构体嵌套其实没有太意外的东西,只要遵循一定规律即可:

//对于“一锤子买卖”,只对最终的结构体变量感兴趣,其中A、B也可删,不过最好带着 struct A{ struct B{ int c; } b; } a; //使用如下方式访问: a.b.c = 10;

特别的,可以一边定义结构体B,一边就使用上:

struct A{struct B{int c; }b;
struct B sb;
}a;  

使用方法与测试:

a.b.c = 11; printf("%d\n",a.b.c); a.sb.c = 22; printf("%d\n",a.sb.c);

结果无误。

但是如果嵌套的结构体B是在A内部才声明的,并且没定义一个对应的对象实体b,这个结构体B的大小还是不算进结构体A中。

(结构体长度、结构体字节对齐、结构体嵌套内容来源于公众号“ 0基础学单片机 ”,作者: 森林木,感谢原作者的分享)

占用内存空间

struct结构体,在结构体定义的时候不能申请内存空间,不过如果是结构体变量,声明的时候就可以分配——两者关系就像C++的类与对象,对象才分配内存(不过严格讲,作为代码段,结构体定义部分“.text”真的就不占空间了么?当然,这是另外一个范畴的话题)。

结构体的大小通常(只是通常)是结构体所含变量大小的总和,下面打印输出上述结构体的size:

printf("size of struct man:%d\n",sizeof(struct man)); printf("size:%d\n",sizeof(Huqinwei));

结果毫无悬念,都是28:分别是char数组20,int变量4,浮点变量4.

下边说说不通常的情况

对于结构体中比较小的成员,可能会被强行对齐,造成空间的空置,这和读取内存的机制有关,为了效率。通常32位机按4字节对齐,小于的都当4字节,有连续小于4字节的,可以不着急对齐,等到凑够了整,加上下一个元素超出一个对齐位置,才开始调整,比如3+2或者1+4,后者都需要另起(下边的结构体大小是8bytes),相关例子就多了,不赘述。

struct s{char a; short b; int c; }

相应的,64位机按8字节对齐。不过对齐不是绝对的,用#pragma pack()可以修改对齐,如果改成1,结构体大小就是实实在在的成员变量大小的总和了。

和C++的类不一样,结构体不可以给结构体内部变量初始化,。
如下,为错误示范:

#include //直接带变量名struct stuff{// char job[20] = "Programmer"; // char job[]; // int age = 27; // float height = 185; };

PS:结构体的声明也要注意位置的,作用域不一样。

C++的结构体变量的声明定义和C有略微不同,说白了就是更“面向对象”风格化,要求更低。

为什么有些函数的参数是结构体指针型

如果函数的参数比较多,很容易产生“重复C语言代码”,例如:

int get_video(char **name, long *address, int *size, time_t *time, int *alg)






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