1.7. 结构体与联合体
C 语言允许将不同类型的数据组合成复合类型。
1.7.1. 结构体（struct）
结构体将多个不同类型的变量组合为一个整体。
1.7.1.1. 定义与声明
// 结构体定义
struct Student {
int id; // 学号
char name[50]; // 姓名
int age; // 年龄
float score; // 成绩
}; // 注意分号！
// 声明结构体变量
struct Student stu1;
struct Student stu2 = {1001, "Alice", 20, 95.5f};
// 定义+声明合并
struct Point {
int x;
int y;
} p1, p2;
// 匿名结构体（仅用于声明变量，不可复用）
struct {
int x;
int y;
} point;
1.7.1.2. 访问成员
struct Student stu = {1001, "Bob", 20, 88.5f};
// 使用 . 运算符访问
printf("ID: %d\n", stu.id);
printf("Name: %s\n", stu.name);
printf("Age: %d\n", stu.age);
printf("Score: %.1f\n", stu.score);
// 修改成员
stu.score = 92.0f;
// 整体赋值
stu = (struct Student){1002, "Charlie", 21, 76.0f};
1.7.1.3. 结构体指针
struct Student stu = {1001, "David", 22, 90.0f};
struct Student *p = &stu;
// 使用 -> 运算符访问（等价于 (*p).xxx）
printf("Name: %s\n", p->name); // 推荐写法
printf("Age: %d\n", (*p).age); // 等价写法
// 结构体指针作为函数参数（传指针效率高）
void print_student(const struct Student *s) {
printf("ID=%d, Name=%s, Score=%.1f\n",
s->id, s->name, s->score);
}
小技巧
结构体较大时，传指针比传值更高效 (避免复制整个结构体)。
用 const 保护不修改的指针参数。
1.7.1.4. 结构体嵌套
struct Date {
int year;
int month;
int day;
};
struct Employee {
int id;
char name[50];
struct Date hire_date; // 嵌套结构体
struct Date birth_date;
};
struct Employee emp = {
2001, "Eve",
{2020, 3, 15}, // 嵌套初始化
{1990, 7, 22}
};
// 访问嵌套成员
printf("入职年份: %d\n", emp.hire_date.year);
1.7.2. 结构体大小与对齐
#include <stddef.h> // offsetof
struct Sample1 {
char a; // 1 byte
int b; // 4 bytes
char c; // 1 byte
};
/* 实际内存布局 (默认 4 字节对齐):
* a (1) + padding(3) + b (4) + c (1) + padding(3) = 12 字节
*/
printf("sizeof(Sample1) = %zu\n", sizeof(struct Sample1));
/* 重新排列成员以减少填充 */
struct Sample2 {
int b; // 4 bytes
char a; // 1 byte
char c; // 1 byte
// padding(2)
};
/* 大小: b(4) + a(1) + c(1) + padding(2) = 8 字节 */
VC10 中编译指示：
#pragma pack(push, 1) // 1 字节对齐 (取消对齐优化)
struct Packed {
char a;
int b; // 可能未对齐, 访问性能降低
};
#pragma pack(pop)
重要
默认对齐到成员最大类型的倍数
重新排列成员（从大到小）可以减少填充
#pragma pack可控制对齐，但可能导致性能下降或运行错误
1.7.3. typedef 类型别名
// 为结构体定义别名
typedef struct {
int x;
int y;
} Point; // 现在可以直接用 Point 声明
Point p1 = {10, 20};
Point p2; // 不用写 struct Point
// 为函数指针定义别名
typedef int (*CompareFn)(const void *, const void *);
// 使用
CompareFn cmp = &my_compare;
小技巧
使用 typedef 可以简化复杂类型声明，提高代码可读性。
但不要过度使用，避免隐藏了重要类型信息。
1.7.4. 联合体（union）
联合体的所有成员**共享同一块内存**，大小等于最大成员的大小。
union Data {
int i;
float f;
char str[20];
};
union Data data;
data.i = 42;
printf("i = %d\n", data.i); // 42
data.f = 3.14f;
printf("f = %f\n", data.f); // 3.14（覆盖了 i 的值）
printf("i = %d\n", data.i); // 不确定（已被覆盖）
printf("sizeof(union Data) = %zu\n", sizeof(union Data));
// 20（最大成员 char[20] 的大小）
1.7.4.1. 联合体的典型用途
类型标记联合体（Tagged Union）
#include <stdio.h>
typedef enum { TYPE_INT, TYPE_FLOAT, TYPE_STR } DataType;
typedef struct {
DataType type; // 标记当前存储的类型
union {
int i;
float f;
char *s;
} value;
} Variant;
void print_variant(Variant v) {
switch (v.type) {
case TYPE_INT:
printf("Integer: %d\n", v.value.i);
break;
case TYPE_FLOAT:
printf("Float: %f\n", v.value.f);
break;
case TYPE_STR:
printf("String: %s\n", v.value.s);
break;
}
}
int main(void) {
Variant v1 = {TYPE_INT, .value.i = 42};
Variant v2 = {TYPE_FLOAT, .value.f = 3.14f};
print_variant(v1);
print_variant(v2);
return 0;
}
备注
联合体常用于：
- 节省内存（不同时使用的字段共享空间）
- 解析网络协议或二进制文件格式
- 类型擦除（类似 C++ 的 std::variant）
1.7.5. 位域（Bit Field）
允许以比特位为单位定义结构体成员，常用于嵌入式硬件编程。
// 设备寄存器定义
struct DeviceReg {
unsigned int enabled : 1; // 1 bit
unsigned int mode : 2; // 2 bits
unsigned int status : 3; // 3 bits
unsigned int reserved : 2; // 2 bits
};
struct DeviceReg reg = {0};
reg.enabled = 1;
reg.mode = 2;
printf("sizeof = %zu\n", sizeof(reg)); // 4（占用 1 个 int）
小心
位域的行为因编译器而异（位序、对齐规则、跨越边界等）， 可移植性较差，VC10 与其他编译器可能存在差异。