C语言的结构体与联合体

news2024/11/25 14:38:51

引言

C语言提供了结构体和联合体两种聚合数据类型，使得程序员可以创建包括多个数据类型的复杂数据结构。结构体用于将不同类型的数据组合成一个单元，而联合体用于在同一存储空间中存储不同类型的数据。本篇文章将详细介绍C语言中的结构体和联合体，包括其定义、初始化、访问方法、内存对齐及使用场景。

一、结构体概述

结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，可以将不同类型的数据组合成一个整体。结构体是C语言中定义复杂数据类型的基本方法之一。

1. 结构体的定义与声明

结构体的定义关键字为struct，具体形式如下：

struct 结构体名称 {
    数据类型 成员名;
    数据类型 成员名;
    //...
};

示例代码：

#include <stdio.h>

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

int main() {
    struct Person person1;
    return 0;
}

在上面的示例中，Person结构体包含name、age和height三个成员。

2. 结构体变量的初始化

结构体变量可以通过指定初始值进行初始化，也可以使用赋值操作进行逐个成员的初始化。

示例代码：

#include <stdio.h>

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

int main() {
    // 通过列表初始化
    struct Person person1 = {"John", 30, 1.75};
    
    // 逐个初始化
    struct Person person2;
    person2.age = 25;
    person2.height = 1.80;
    printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", person1.name, person1.age, person1.height);
    return 0;
}

3. 结构体成员的访问

结构体成员通过点运算符（.）或箭头运算符（->）进行访问。

示例代码：

#include <stdio.h>

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

int main() {
    struct Person person = {"Alice", 28, 1.68};
    struct Person *personPtr = &person;

    // 通过点运算符访问
    printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", person.name, person.age, person.height);

    // 通过箭头运算符访问
    printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", personPtr->name, personPtr->age, personPtr->height);

    return 0;
}

二、联合体概述

联合体（union）与结构体类似，但其所有成员共用相同的内存空间。联合体用于节省内存空间，可以在不同时间存储不同的数据类型。

1. 联合体的定义与声明

联合体的定义关键字为union，具体形式如下：

union 联合体名称 {
    数据类型 成员名;
    数据类型 成员名;
    //...
};

示例代码：

#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;
    return 0;
}

在上面的示例中，Data联合体包含整数i、浮点数f和字符数组str三个成员。

2. 联合体变量的初始化

联合体变量同样可以通过指定初始值进行初始化，也可以使用赋值操作进行逐个成员的初始化。

示例代码：

#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;

    // 赋值第一个成员
    data.i = 10;
    printf("data.i = %d\n", data.i);

    // 赋值第二个成员
    data.f = 220.5;
    printf("data.f = %.1f\n", data.f);

    // 赋值第三个成员
    strcpy(data.str, "C Programming");
    printf("data.str = %s\n", data.str);

    return 0;
}

3. 联合体成员的访问

联合体成员的访问也通过点运算符或箭头运算符进行。

示例代码：

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

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data;

    // 赋值第一个成员
    data.i = 10;
    printf("data.i = %d\n", data.i);

    // 赋值第二个成员
    data.f = 220.5;
    printf("data.f = %.1f\n", data.f);

    // 赋值第三个成员
    strcpy(data.str, "C Programming");
    printf("data.str = %s\n", data.str);

    return 0;
}

三、内存对齐与结构对齐

内存对齐是指数据在内存中的地址必须是某个特定的对齐倍数，以提高内存访问速度。C语言中的结构体会根据成员大小和顺序进行内存对齐。

1. 结构体对齐

示例代码：

#include <stdio.h>

struct Example {
    char c;
    int i;
};

int main() {
    printf("Size of struct Example: %zu\n", sizeof(struct Example)); // 输出16（假设4字节对齐）
    return 0;
}

上面的示例中，struct Example的大小可能超过其各成员大小之和，这是因为内存对齐。

2. 联合体对齐

联合体的内存对齐由其最大成员决定，所有成员共享同一内存地址。

示例代码：

#include <stdio.h>

union Example {
    char c;
    int i;
};

int main() {
    printf("Size of union Example: %zu\n", sizeof(union Example)); // 输出最大成员大小（假设4字节）
    return 0;
}

四、结构体和联合体的应用场景

1. 结构体

结构体用于组织和管理复杂的数据结构，常用于描述实体和事件，如学生信息、员工记录、日期和时间等。

示例代码：

#include <stdio.h>

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

int main() {
    struct Date today = {15, 6, 2024}; 

    printf("Today's date is: %d/%d/%d\n", today.day, today.month, today.year);
    return 0;
}

2. 联合体

联合体用于节省内存空间，常用于需要在同一存储空间中存储不同类型数据的场景，如定义网络数据包、实现不同类型的存储数据等。

示例代码：

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

union NetworkPacket {
    int header;
    char data[20];
};

int main() {
    union NetworkPacket packet;

    packet.header = 0x1A2B3C4D;
    printf("Header: %X\n", packet.header);

    strcpy(packet.data, "Hello, World!");
    printf("Data: %s\n", packet.data);

    return 0;
}

总结

C语言的结构体与联合体提供了组织和管理复杂数据结构的有效手段。通过结构体可以将不同类型的数据组合在一起，创建更为复杂和有意义的数据类型。此外，联合体可以高效地利用内存空间，使得不同的成员共享同一内存地址。通过理解和掌握结构体与联合体，程序员可以编写出更加模块化、可维护性和高效的C语言代码。

表格总结

结构体与联合体比较

特性结构体（struct）联合体（union）
内存分配各成员独立分配内存所有成员共享同一内存地址
使用场景管理复杂数据结构节省内存空间，存储不同类型数据
内存对齐按成员定义顺序对齐按最大成员对齐
结构体与联合体定义与访问示例
类型定义语法初始化与访问示例
结构体struct struct_name { ... }struct Person person = { ... }; person.age
联合体union union_name { ... }union Data data; data.i = 10

总结

C语言的结构体和联合体提供了组织和管理复杂数据结构的有效手段。通过结构体，可以将不同类型的数据组合在一起，创建更为复杂和有意义的数据类型。而联合体则通过共享同一内存地址，提供了一种高效利用内存的方式。理解和掌握结构体与联合体，不仅能够编写模块化、可维护和高效的代码，还能在特定场景下显著优化程序的内存使用。这些知识是深入学习和应用C语言的基础，高效利用这些特性将有助于解决实际编程中的复杂问题。

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