ch07 复合结构

Overview

C语言中复合类型 (composite type) 是指用户自定义类型，通常由多种元素组成的类型，其元素被紧密存储在内存中。C语言常见的复合类型有：

• 数组
• 字符串
• 结构体
• 联合类型

结构体 ^[1]

结构体 (structure) 是指用户定义的数据类型，允许将不同类型的多个元素组合在一起，来创建出更复杂的数据类型，类似于数组，但又区别于数组，数组只能保存同类型的元素，而结构体可以保存不同类型的元素。

定义

声明结构体的语法如下

 struct structureName
 {
     dataType memberVariable1;
     datatype memberVariable2;
     ...
 } variable01, variable02...;

这里需要注意的一些地方：

• struct是关键字，structureName定义的新数据类型，variable{}是作为使用 structureName 声明的新变量名
• 每个成员方法结尾都是 “;" 而不是逗号 ”,"
• 结构体不能递归
• 变量可以有多个

例如声明一个学生的结构体，而student是作为一个新的数据类型存在

struct student
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
};

Notes：在定义（创建）结构体变量前，结构体成员不会占用内存

声明

使用结构体声明变量

也可以一次性定义结构体和声明变量

struct student
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
} stu1,stu2;
// 结构体名称可以省略
struct
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
} stu1,stu2;

赋值

在声明结构体后，student结构体只是自定义数据结构，要使用还需要进行初始化，或者赋值

stu1 = {"zhangsan", 20, 0};

或者

stu1.name="zhangsan";

或者

struct Student
{
    char name[25];
    int age;
    char branch[10];
    char gender;
}stu1 = {"zhangsan", 20, 0};

或者使用不同顺序进行初始化

stu1 = {.age=20, .gender=0, .name="zhangsan"};

也可以仅初始化部分成员，未初始化的成员应该按顺序在后位

stu1 = {"zhangsan"};

访问

访问结构体可以使用符号 ”.“ 来访问，成员名称==.==成员属性

#include

struct Student
{
    char name[25];
    int age;
    char branch[10];
    char gender;
};

int main()
{
    struct Student s1;

    s1.age = 18;
    strcpy(s1.name, "Viraaj");
    printf("Name of Student 1: %s\n", s1.name);
    printf("Age of Student 1: %d\n", s1.age);
    return 0;
}

也可以使用scanf() 赋值

结构体运算

结构体不能够执行算术运算符 +, -, x, ÷ ，关系运算符 < > <= >=, 等式运算符，但是可以在两个相同结构体变量的场景下进行赋值运算。

 /* 无效的操作 */
st1 + st2
st1 - st2
st1 == st2
st1 != st2 etc.

 /* 在相同类型下的结构体，操作是有效的 */
st1 = st2

因为C语言没有提供比较运算，所以没法进行结构体比较，需要自行比较结构体成员来比较结构体是否一样

#include 
#include 

 struct student
    {
        char name[20];
        double roll;
        char gender;
        int marks[5];
    }st1,st2;


void main()
{
    struct student st1= { "Alex", 43, 'M', {76, 78, 56, 98, 92}};
    struct student st2 = { "Max", 33, 'M', {87, 84, 82, 96, 78}};

    if( strcmp(st1.name,st2.name) == 0 && st1.roll == st2.roll)
        printf("Both are the records of the same student.\n");
    else printf("Different records, different students.\n");

     /* Copiying the structure variable */
    st2 = st1;

    if( strcmp(st1.name,st2.name) == 0 && st1.roll == st2.roll)
        printf("\nBoth are the records of the same student.\n");
    else printf("\nDifferent records, different students.\n");
}

输出结果

Different records, different students.

Both are the records of the same student.

结构体数组

结构体数组是指数组元素是结构体，例如下面声明一个类型为student的数组

struct student
{
    char name[20];
    double roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

struct student stu[4];

初始化和访问可以通过循环进行

for (int i = 0; i < 4; i++)
{
    printf("Enter name:\n");
    scanf("%s",&stu[i].name);
    printf("Enter roll:\n");
    scanf("%d",&stu[i].roll);
    printf("Enter gender:\n");
    scanf(" %c",&stu[i].gender);

    for( int j = 0; j < 5; j++)
    {
        printf("Enter marks of %dth subject:\n",j);
        scanf("%d",&stu[i].marks[j]);
    }

    printf("\n-------------------\n\n");
}

/* Finding the average marks and printing it */

for(int i = 0; i < 4; i++)
{
    float sum = 0;
    for( int j = 0; j < 5; j++)
    {
        sum += stu[i].marks[j];
    }
    printf("Name: %s\nAverage Marks = %.2f\n\n", stu[i].name, sum / (sizeof(stu[i].marks) / sizeof(stu[i].marks[0])));
}

将代码整合为一起

#include 
struct student
{
    char name[20];
    double roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

struct student stu[4];

void main()
{
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        printf("Enter name:\n");
        scanf("%s",&stu[i].name);
        printf("Enter roll:\n");
        scanf("%d",&stu[i].roll);
        printf("Enter gender:\n");
        scanf(" %c",&stu[i].gender);

        for( int j = 0; j < 5; j++)
        {
            printf("Enter marks of %dth subject:\n",j);
            scanf("%d",&stu[i].marks[j]);
        }

        printf("\n-------------------\n\n");
    }

    /* Finding the average marks and printing it */

	for(int i = 0; i < 4; i++)
    {
        float sum = 0;
        for( int j = 0; j < 5; j++)
        {
            sum += stu[i].marks[j];
        }
        printf("Name: %s\nAverage Marks = %.2f\n\n", stu[i].name, sum / (sizeof(stu[i].marks) / sizeof(stu[i].marks[0])));
    }
}

结构体嵌套结构体

嵌套结构体表示，结构体的成员是另外一个结构体

struct date
{
    int date;
    int month;
    int year;
};

struct student
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
    struct date birthday;
};

其定义语法为：struct ; 这里 birthday 是名为data类型结构体

Notes：结构体内部不能嵌套自己

访问嵌套结构体和正常结构体访问一样使用符号，成员名称==.成员属性.==成员属性

stu1.birthday.date
stu1.birthday.month
stu1.birthday.year
stu1.name

结构体内存分配

结构体声明后是不占用内存，只有被初始化后才占用内存，结构体内每个成员会被分配到连续的内存内，sizeof()的大小是每个元素所占用的大小。

示例代码为一个student的结构体，有四个成员，name为20 bytes的字符串，roll是4字节的int类型，gender是1字节的char，marks为5个元素的数组，那么这个结构体的总大小应该为 $20+4+1+5\times 4$

struct student
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
} stu1;

将上述代码整合为

void main()
{
    printf("Sum of the size of members = %I64d bytes\n", sizeof(stu1.name) + sizeof(stu1.roll) + sizeof(stu1.gender) + sizeof(stu1.marks));
    printf("Using sizeof() operator = %I64d bytes\n",sizeof(stu1));
}

// 输出结果为
Sum of the size of members = 45 bytes
Using sizeof() operator = 48 bytes

可以看到两个结果并不相等，可以看出实际被多分配了3个字节，需要知道为什么被多分配需要先打印他们的地址

#include 
struct student
{
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
} stu1;

void main()
{
    printf("Address of member name = %d\n", &stu1.name);
    printf("Address of member roll = %d\n", &stu1.roll);
    printf("Address of member gender = %d\n", &stu1.gender);
    printf("Address of member marks = %d\n", &stu1.marks);
}

输出结果为

Address of member name = 4225408
Address of member roll = 4225428
Address of member gender = 4225432
Address of member marks = 4225436

可以看到char类型占用一个字节，而接下来的成员 marks 却是从4225436开始的，而不是4225433。这就需要引入下面的概念数据对齐 (Data alignment)

数据对齐

数据对齐是指处理器在数据对齐时访问效率最高，这将代表了数据存储在内存中的大小的倍数。而现代计算机字长通常为4 字节（32 位操作胸痛）或 8 字节（64 位操作系统）的字长。

对于一个int类型的变量，占用的资产时4字节，此时符合处理器读取机制，因为符合计算机字长长度。而作为char类型，占用一个字节。如果不做数据对齐操作，就会出现如下图出现的问题，数据在存储时读取的字长永远是多一个步骤的。

下图是一个错位的数据，粉红代表char类型，蓝色代表short类型，绿色代表int类型，如果不进行对齐，再继续存储int时，在读取数据时一个字长位移都将不足以读取一个int类型，这就需要进行两次数据访问才能读取一个int类型，也就是花费了两倍的时间

图：Misaligned memory Source：https://hps.vi4io.org/_media/teaching/wintersemester_2013_2014/epc-14-haase-svenhendrik-alignmentinc-paper.pdf

出于上述原因才有了数据对齐的概念，下图所示的对齐模式被称为自然对齐 (naturally aligned)

图：Properly aligned memory using padding Source：https://hps.vi4io.org/_media/teaching/wintersemester_2013_2014/epc-14-haase-svenhendrik-alignmentinc-paper.pdf

内容填充

在对齐时所插入的额外字节数的部分被称为填充 (padding)，在上图中，黑色部分为填充的部分，而在上述代码示例中所填充的部分为3字节，而4225433位的内存地址存储int类型（marks[0]的地址）不是4的倍数。

下表说明了需要对其的数据类型规则

数据类型	占字节数大小	地址倍数
char	1	1的倍数
short	2	2的倍数
int, float	4	4的倍数
double, long, *(pointer)	8	8的倍数
long double	16	16的倍数

另外一个示例，应该是多少？

#include 
struct student
{
    int i1;
    double d1;
    char c1;
} stu1;

void main()
{   
    // long long int a, b, c;
    // a = 1, b = 30000000000009, c = 5; 
    // %I64d是微软风格的%lld，为了避免大于4字节的类型被省略，而输出异常，兼容%d
    // printf("%I64d %I64d %I64d\n", a, b, c);
    // rintf("%d %d %d\n", a, b, c);
    printf("size = %I64d bytes\n",sizeof(stu1));
}

由于 i1 为int类型4字节，d1 为 double类型8字节，c1 为char类型1字节 ，那么 $4+8+1=13$ 被填充后应该是16字节，那么看下输出结果

size = 24 bytes

实际上在C语言中结构体的数据类型对齐不是这么计算的，实际上结构体数据对齐条件是根据结构体内最大的元素进行调整 ^[2]，例如这里最大元素为8，那么对齐标准就是补足8字节 i1 需要补4，c1 需要补7

通过调整结构体顺序可以减少填充的大小，例如下列代码，其实际大小为1 byte + 8 bytes + 1 bytes = 10 bytes，而实际大小为24bytes，因为double将影响填充的大小

struct Foo {
    char x; // 1 byte
    double y // 8 bytes
    char z; // 1 bytes
};

而通过按照类型的由小到大的顺序进行定义成员，可以减少填充的次数与大小，这样1+1+(6)+8=16

struct Foo {
    char x; // 1 byte
    char z; // 1 bytes
    double y // 8 bytes
};

为此得出的结论为，对结构体成员重新排序可以提高内存效率

数据打包

数据打包 (Packing) 是指强制编译器不进行数据填充，与数据填充是相反的作用

在windows上使用宏定义 #pragma pack(1) 来指定对齐方式，也可以使用 __attribute__((packed)) 指定一个结构体补进行填充。

#include 
// #pragma pack(1)
struct student
{
    int i1;
    double d1;
    char c1;
} stu1;

struct Foo {
    char x; // 1 byte
    char z; // 1 bytes
    double y // 8 bytes
} __attribute__((packed)) f1;

void main()
{   
    printf("size = %I64d bytes\n",sizeof(stu1));
    printf("size = %I64d bytes\n",sizeof(f1));
}

输出结果为

size = 24 bytes
size = 10 bytes

还可以指定特定的大小进行填充，例如

#include 
// #pragma pack(1)
struct student
{
    int i1;
    double d1;
    char c1;
} stu1;

struct Foo {
    char x; // 1 byte
    char z; // 1 bytes
    double y // 8 bytes
} __attribute__((packed, aligned(4))) f1;

void main()
{   
    printf("size = %I64d bytes\n",sizeof(stu1));
    printf("size = %I64d bytes\n",sizeof(f1));
}

输出结果为

size = 24 bytes
size = 12 bytes

指针结构体

这里包含指针作为结构体成员和指针指向结构体

#include 
struct student
{
    char *name;
    int *roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

void main()
{  
    int alexRoll = 44;
    struct student stu1 = { "Alex", &alexRoll, 'M', { 76, 78, 56, 98, 92 }};
    struct student *stu2 = &stu1;
    printf("stu1 Name is %s\n", stu1.name);
    
    // 无效的访问
    // printf("stu1 roll is %s\n", stu1.(*roll)); 
    
    // 错误的访问，输出的地址
    printf("stu1 roll is %d\n", stu1.roll);
    
    // 正确的访问方式
    printf("stu1 roll is %d\n", *(stu1.roll));
    
    // 访问指针结构体成员的方法
    printf("stu2 Name is %s\n", stu2->name);
    printf("stu2 Name is %s\n", (*stu2).name);

}

总结：

• . 运算符优先于 * 运算符，需要加括号改变优先级

• 如果成员属性是指针类型，访问其内容应先解引用成员 *(stu1.roll)

• 如果指针是结构体需要解引用结构体 (*stu2).name

• 指针类型访问成员的特殊方法为 ->

结构体数组

结构体也可以作为数组的形式，每个数组元素为一个结构体。作为数组结构体时，指针类型需要解引用或者使用 -> 来访问。

#include 
struct student
{
    char *name;
    int *roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

void main()
{  
    int alexRoll = 44;
    struct student stu1 = { "Alex", &alexRoll, 'M', { 76, 78, 56, 98, 92 }};
    
    struct student stu[10];
    struct student *stuPtr = stu;
    struct student (*stuPtr)[10] = &stu;
    
    printf("name %s\n", stuPtr[10]->name);
    printf("name %s\n", (*stuPtr)[10].name);
}   

结构体函数

在C语言中，函数不能作为结构体成员，但是函数指针可以，使用 . 可以调用指针函数成员

#include 
struct example
{
    int i;
    void (*ptrMessage)(int i);
};

void message(int);

void message(int i)
{
    printf("Hello, I'm a member of a structure. This structure also has an integer with value %d", i);
}

void main()
{
    struct example eg1 = {6, message};
    eg1.ptrMessage(eg1.i);
}

结构体作为函数参数

当函数参数过多时，传递大量参数效率很低，可以将结构体作为参数传递给函数

#include 
struct student {
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
};
void display(struct student a)
{
    printf("Name: %s\n", a.name);
    printf("Roll: %d\n", a.roll);
    printf("Gender: %c\n", a.gender);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
        printf("Marks in %dth subject: %d\n",i,a.marks[i]);
}
void main()
{
    struct student stu1 = {"Alex", 43, 'M', {76, 98, 68, 87, 93}};
    display(stu1);
}

如果结构体比较复杂，传递副本参数效率不高，也可以传递指针结构体作为函数参数

#include 
struct student {
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
};
void display(struct student *a)
{
    printf("Name: %s\n", a->name);
    printf("Roll: %d\n", a->roll);
    printf("Gender: %c\n", a->gender);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
        printf("Marks in %dth subject: %d\n",i,a->marks[i]);
}
void main()
{
    struct student stu1 = {"Alex", 43, 'M', {76, 98, 68, 87, 93}};
    struct student *stuPtr = &stu1;
    display(stuPtr);
}

结构体作为函数返回值

结构体可以作为函数的返回值

#include 
struct student {
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

struct student increaseBy5(struct student p)
{
    for( int i =0; i < 5; i++)
        if(p.marks[i] + 5 <= 100)
        {
            p.marks[i]+=5;
        }
    return p;
}

void main()
{
    struct student stu1 = {"Alex", 43, 'M', {76, 98, 68, 87, 93}};
    stu1 = increaseBy5(stu1);
    
    printf("Name: %s\n", stu1.name);
    printf("Roll: %d\n", stu1.roll);
    printf("Gender: %c\n", stu1.gender);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
        printf("Marks in %dth subject: %d\n",i,stu1.marks[i]);
}

当然如果结构体交复杂，也可以用结构体指针作为返回值

#include 
#include 
struct student {
    char name[20];
    int roll;
    char gender;
    int marks[5];
};

struct student* increaseBy5(struct student *p)
{   
    for( int i =0; i < 5; i++)
        if(p->marks[i] + 5 <= 100)
        {
            p->marks[i]+=5;
        }
    return p;
}

void main()
{	
    struct student stu1 = {"Alex", 43, 'M', {76, 98, 68, 87, 93}};
    struct student *stuptr = (struct student *) malloc(sizeof(struct student));
    stuptr = &stu1;
    stuptr = increaseBy5(stuptr);
    
    printf("Name: %s\n", stuptr->name);
    printf("Roll: %d\n", stuptr->roll);
    printf("Gender: %c\n", stuptr->gender);

    for(int i = 0; i < 5; i++)
        printf("Marks in %dth subject: %d\n",i,stuptr->marks[i]);
}

typedef

typedef 是C语言中的关键字，功能是为现有数据类型分配别名，例如为long类型声明一个别名

typedef long int64

也可以在结构体中使用

#include 
#include 
struct employee
{
    char *name;
    int salary;
} emp;

typedef struct employee1
{
    char *name;
    int salary;
}emp1;

void main()
{	
    // 不使用typedef定义的结构体,在使用时需要加关键字struct
    struct employee e1;
    e1.salary=10;
    e1.name="zhangsan";
	// 使用typedef定义结构体,在使用时，可以直接使用结构体名称
    emp1 e2;
    e2.salary=100;
    e2.name="lisi";
    printf("name1: %s\n" ,e1.name);
    printf("salary1: %d\n" ,e1.salary);
    printf("name2: %d\n" ,*(e2.name));
    printf("salary2: %d\n" ,e2.salary);
}

union

union是类似于结构体的一种用户自定义类型，与结构体最大的区别是，结构体是存储一系列元素的联合体，而union是多个成员，仅有一个元素能被存储。

定义

定义union语法：

• union <attr-spec-seq(optional)> <name(optional)> { struct-declaration-list }
• union <attr-spec-seq(optional)> name

union car
{
  char name[50];
  int price;
};

定义union不会被分配内存，如果要分配内存则需要创建变量使用它

访问

#include 
union Job {
   float salary;
   int workerNo;
} j;

int main() {
   j.salary = 12.3;

   // 当对j.workerNo成员分配了值
   // j.salary持有的12.3将不再拥有
   j.workerNo = 100;

   printf("Salary = %.1f\n", j.salary);
   printf("Number of workers = %d", j.workerNo);
   return 0;
}

总结

• union是用户自定义的数据类型
• union中成员都是相同的内存地址
• union保存的内容仅为最近一次赋值的元素的值（哪个元素被赋值，哪个元素被激活）
• union大小为其占用空间最大的那个成员

enum

枚举(enumeration)是C语言中特殊的数据类型，通常是包含具有共同性数据的集合，例如性别，男，女

enum gender {
    MALE,
    FEMALE
};

声明

常用的有两种方式来使用枚举类型

enum textEditor {
    BOLD,
    ITALIC,
    UNDERLINE
} feature;

与

enum textEditor {
    BOLD,
    ITALIC,
    UNDERLINE
};
int main() {
    enum textEditor feature;
    return 0;
}

赋值

enum textEditor {
    BOLD,
    ITALIC,
    UNDERLINE
} feature;

int main() {
    // Initializing enum variable
    enum textEditor feature = BOLD;
    printf("Selected feature is %d\n", feature);

    // Initializing enum with integer equivalent
    feature = 5;
    printf("Selected feature is %d\n", feature);

    return 0;
}

总结：

• 枚举是整数常量类型
• 枚举包含的元素即为对应变量可以拥有的值
• 因为是整数常量，可以转换为char，bool等
• 枚举的元素结尾是逗号，最后一个元素没有符号；结构体的元素结尾为分号

Reference

^[1] structured data types in c explained

^[2] Alignment in C