11、struct 结构
文章目录
- 十一、struct 结构
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- 1.struct简介
- 2.struct 的复制
- 3.struct 指针
- 4.struct 的嵌套
- 5.位字段
- 6.弹性数组成员
十一、struct 结构
1.struct简介
C 语言内置的数据类型，除了最基本的几种原始类型，只有数组属于复合类型，可以同时包含多个值，但是只能包含相同类型的数据，实际使用中并不够用。
实际使用中，主要有下面两种情况，需要更灵活强大的复合类型。
- 复杂的物体需要使用多个变量描述，这些变量都是相关的，最好有某种机制将它们联系起来。
- 某些函数需要传入多个参数，如果一个个按照顺序传入，非常麻烦，最好能组合成一个复合结构传入。
为了解决这些问题，C 语言提供了 struct 关键字，允许自定义复合数据类型，将不同类型的值组合在一起。这样不仅为编程提供方便，也有利于增强代码的可读性。C 语言没有其他语言的对象（object）和类（class）的概念，struct 结构很大程度上提供了对象和类的功能。
下面是 struct 自定义数据类型的一个例子。
struct fraction {
int numerator;
int denominator;
};
上面示例定义了一个分数的数据类型 struct fraction ，包含两个属性 numerator 和 denominator 。注意，作为一个自定义的数据类型，它的类型名要包括 struct 关键字，比如上例是 struct fraction ，单独的 fraction 没有任何意义，甚至脚本还可以另外定义名为 fraction 的变量，虽然这样很容易造成混淆。另外， struct 语句结尾的分号不能省略，否则很容易产生错误。
定义了新的数据类型以后，就可以声明该类型的变量，这与声明其他类型变量的写法是一样的。
struct fraction f1;
f1.numerator = 22;
f1.denominator = 7;
上面示例中，先声明了一个 struct fraction 类型的变量 f1 ，这时编译器就会为 f1 分配内存，接着就可以为 f1 的不同属性赋值。可以看到，struct 结构的属性通过点（ . ）来表示，比如 numerator 属性要写成 f1.numerator 。
再提醒一下，声明自定义类型的变量时，类型名前面，不要忘记加上 struct 关键字。也就是说，必须使用 struct fraction f1 声明变量，不能写成 fraction f1 。
除了逐一对属性赋值，也可以使用大括号，一次性对 struct 结构的所有属性赋值。
struct car {
char* name;
float price;
int speed;
};
struct car saturn = {"Saturn SL/2", 16000.99, 175};
上面示例中，变量 saturn 是 struct car 类型，大括号里面同时对它的三个属性赋值。如果大括号里面的值的数量，少于属性的数量，那么缺失的属性自动初始化为 0 。注意，大括号里面的值的顺序，必须与 struct 类型声明时属性的顺序一致。否则，必须为每个值指定属性名。
struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"};
上面示例中，初始化的属性少于声明时的属性，这时剩下的那些属性都会初始化为 0 。声明变量以后，可以修改某个属性的值。
struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"};
saturn.speed = 168;
上面示例将 speed 属性的值改成 168 。struct 的数据类型声明语句与变量的声明语句，可以合并为一个语句。
struct book {
char title[500];
char author[100];
float value;
} b1
上面的语句同时声明了数据类型 book 和该类型的变量 b1 。如果类型标识符 book 只用在这一个地方，后面不再用到，这里可以将类型名省略。
struct {
char title[500];
char author[100];
float value;
} b1;
上面示例中， struct 声明了一个匿名数据类型，然后又声明了这个类型的变量 b1 。
与其他变量声明语句一样，可以在声明变量的同时，对变量赋值。
struct {
char title[500];
char author[100];
float value;
} b1 = {"Harry Potter", "J. K. Rowling", 10.0},
b2 = {"Cancer Ward", "Aleksandr Solzhenitsyn", 7.85};
上面示例中，在声明变量 b1 和 b2 的同时，为它们赋值。
下一章介绍的 typedef 命令可以为 struct 结构指定一个别名，这样使用起来更简洁。
typedef struct cell_phone {
int cell_no;
float minutes_of_charge;
} phone;
phone p = {5551234, 5};
上面示例中， phone 就是 struct cell_phone 的别名。
指针变量也可以指向 struct 结构。
struct book {
char title[500];
char author[100];
float value;
}* b1;
// 或者写成两个语句
struct book {
char title[500];
char author[100];
float value;
};
struct book* b1;
上面示例中，变量 b1 是一个指针，指向的数据是 struct book 类型的实例。struct 结构也可以作为数组成员。
struct fraction numbers[1000];
numbers[0].numerator = 22;
numbers[0].denominator = 7;
上面示例声明了一个有1000个成员的数组 numbers ，每个成员都是自定义类型 fraction 的实例。
struct 结构占用的存储空间，不是各个属性存储空间的总和。因为为了计算效率，C 语言的内存占用空间一般来说，都必须是 int 类型存储空间的倍数。如果 int 类型的存储是4字节，那么 struct 类型的存储空间就总是4的倍数。
struct { char a; int b; } s;
printf("%d\n", sizeof(s)); // 8
上面示例中，如果按照属性占据的空间相加，变量 s 的存储空间应该是5个字节。但是，struct 结构的存储空间是 int 类型的倍数，所以最后的结果是占据8个字节， a 属性与 b 属性之间有3个字节的“空洞”。
2.struct 的复制
struct 变量可以使用赋值运算符（ = ），复制给另一个变量，这时会生成一个全新的副本。系统会分配一块新的内存空间，大小与原来的变量相同，把每个属性都复制过去，即原样生成了一份数据。这一点跟数组的复制不一样，务必小心。
struct cat { char name[30]; short age; } a, b;
strcpy(a.name, "Hula");
a.age = 3;
b = a;
b.name[0] = 'M';
printf("%s\n", a.name); // Hula
printf("%s\n", b.name); // Mula
上面示例中，变量 b 是变量 a 的副本，两个变量的值是各自独立的，修改掉 b.name 不影响 a.name 。
上面这个示例是有前提的，就是 struct 结构的属性必须定义成字符数组，才能复制数据。如果稍作修改，属性定义成字符指针，结果就不一样。
struct cat { char* name; short age; } a, b;
a.name = "Hula";
a.age = 3;
b = a;
上面示例中， name 属性变成了一个字符指针，这时 a 赋值给 b ，导致 b.name 也是同样的字符指针，指向同一个地址，也就是说两个属性共享同一个地址。因为这时，struct 结构内部保存的是一个指针，而不是上一个例子的数组，这时复制的就不是字符串本身，而是它的指针。并且，这个时候也没法修改字符串，因为字符指针指向的字符串是不能修改的。
总结一下，赋值运算符（ = ）可以将 struct 结构每个属性的值，一模一样复制一份，拷贝给另一个
struct 变量。这一点跟数组完全不同，使用赋值运算符复制数组，不会复制数据，只会共享地址。
注意，这种赋值要求两个变量是同一个类型，不同类型的 struct 变量无法互相赋值。
另外，C 语言没有提供比较两个自定义数据结构是否相等的方法，无法用比较运算符（比如 == 和 != ）
比较两个数据结构是否相等或不等。
3.struct 指针
如果将 struct 变量传入函数，函数内部得到的是一个原始值的副本。
#include 上面示例中，函数 happy() 传入的是一个 struct 变量 myTurtle ，函数内部有一个自增操作。但是，执行完 happy() 以后，函数外部的 age 属性值根本没变。原因就是函数内部得到的是 struct 变量的副本，改变副本影响不到函数外部的原始数据。
通常情况下，开发者希望传入函数的是同一份数据，函数内部修改数据以后，会反映在函数外部。而且，传入的是同一份数据，也有利于提高程序性能。这时就需要将 struct 变量的指针传入函数，通过指针来修改 struct 属性，就可以影响到函数外部。
struct 指针传入函数的写法如下。
void happy(struct turtle* t) {
}
happy(&myTurtle);
上面代码中， t 是 struct 结构的指针，调用函数时传入的是指针。struct 类型跟数组不一样，类型标识符本身并不是指针，所以传入时，指针必须写成 &myTurtle 。
函数内部也必须使用 (*t).age 的写法，从指针拿到 struct 结构本身。
void happy(struct turtle* t) {
(*t).age = (*t).age + 1;
}
上面示例中， (*t).age 不能写成 *t.age ，因为点运算符 . 的优先级高于 * 。 *t.age 这种写法会将t.age 看成一个指针，然后取它对应的值，会出现无法预料的结果。
现在，重新编译执行上面的整个示例， happy() 内部对 struct 结构的操作，就会反映到函数外部。
(*t).age 这样的写法很麻烦。C 语言就引入了一个新的箭头运算符（ -> ），可以从 struct 指针上直接获取属性，大大增强了代码的可读性。
void happy(struct turtle* t) {
t->age = t->age + 1;
}
总结一下，对于 struct 变量名，使用点运算符（ . ）获取属性；对于 struct 变量指针，使用箭头运算符
（ -> ）获取属性。以变量 myStruct 为例，假设 ptr 是它的指针，那么下面三种写法是同一回事。
// ptr == &myStruct
myStruct.prop == (*ptr).prop == ptr->prop
4.struct 的嵌套
struct 结构的成员可以是另一个 struct 结构。
struct species {
char* name;
int kinds;
};
struct fish {
char* name;
int age;
struct species breed;
};
上面示例中， fish 的属性 breed 是另一个 struct 结构 species 。赋值的时候有多种写法。
// 写法一
struct fish shark = {"shark", 9, {"Selachimorpha", 500}};
// 写法二
struct species myBreed = {"Selachimorpha", 500};
struct fish shark = {"shark", 9, myBreed};
// 写法三
struct fish shark = {
.name="shark",
.age=9,
.breed={"Selachimorpha", 500}
};
// 写法四
struct fish shark = {
.name="shark",
.age=9,
.breed.name="Selachimorpha",
.breed.kinds=500
};
printf("Shark's species is %s", shark.breed.name);
上面示例展示了嵌套 Struct 结构的四种赋值写法。另外，引用 breed 属性的内部属性，要使用两次点运算符（ shark.breed.name ）。
下面是另一个嵌套 struct 的例子。
struct name {
char first[50];
char last[50];
};
struct student {
struct name name;
short age;
char sex;
} student1;
strcpy(student1.name.first, "Harry");
strcpy(student1.name.last, "Potter");
// or
struct name myname = {"Harry", "Potter"};
student1.name = myname;
上面示例中，自定义类型 student 的 name 属性是另一个自定义类型，如果要引用后者的属性，就必须使用两个 . 运算符，比如 student1.name.first 。另外，对字符数组属性赋值，要使用 strcpy() 函数，不能直接赋值，因为直接改掉字符数组名的地址会报错。
struct 结构内部不仅可以引用其他结构，还可以自我引用，即结构内部引用当前结构。比如，链表结构的节点就可以写成下面这样。
struct node {
int data;
struct node* next;
};
上面示例中， node 结构的 next 属性，就是指向另一个 node 实例的指针。下面，使用这个结构自定义一个数据链表。
struct node {
int data;
struct node* next;
};
struct node* head;
// 生成一个三个节点的列表 (11)->(22)->(33)
head = malloc(sizeof(struct node));
head->data = 11;
head->next = malloc(sizeof(struct node));
head->next->data = 22;
head->next->next = malloc(sizeof(struct node));
head->next->next->data = 33;
head->next->next->next = NULL;
// 遍历这个列表
for (struct node *cur = head; cur != NULL; cur = cur->next) {
printf("%d\n", cur->data);
}
上面示例是链表结构的最简单实现，通过 for 循环可以对其进行遍历。
5.位字段
struct 还可以用来定义二进制位组成的数据结构，称为“位字段”（bit field），这对于操作底层的二进制数据非常有用。
struct {
unsigned int ab:1;
unsigned int cd:1;
unsigned int ef:1;
unsigned int gh:1;
} synth;
synth.ab = 0;
synth.cd = 1;
上面示例中，每个属性后面的 :1 ，表示指定这些属性只占用一个二进制位，所以这个数据结构一共是4个二进制位。
注意，定义二进制位时，结构内部的各个属性只能是整数类型。
实际存储的时候，C 语言会按照 int 类型占用的字节数，存储一个位字段结构。如果有剩余的二进制位，可以使用未命名属性，填满那些位。也可以使用宽度为0的属性，表示占满当前字节剩余的二进制位，迫使下一个属性存储在下一个字节。
struct {
unsigned int field1 : 1;
unsigned int : 2;
unsigned int field2 : 1;
unsigned int : 0;
unsigned int field3 : 1;
} stuff;
上面示例中， stuff.field1 与 stuff.field2 之间，有一个宽度为两个二进制位的未命名属性。
stuff.field3 将存储在下一个字节。
6.弹性数组成员
很多时候，不能事先确定数组到底有多少个成员。如果声明数组的时候，事先给出一个很大的成员数，就会很浪费空间。C 语言提供了一个解决方法，叫做弹性数组成员（flexible array member）。如果不能事先确定数组成员的数量时，可以定义一个 struct 结构。
struct vstring {
int len;
char chars[];
};
上面示例中， struct vstring 结构有两个属性。 len 属性用来记录数组 chars 的长度， chars 属性是一个数组，但是没有给出成员数量。
chars 数组到底有多少个成员，可以在为 vstring 分配内存时确定。
struct vstring* str = malloc(sizeof(struct vstring) + n * sizeof(char));
str->len = n;
上面示例中，假定 chars 数组的成员数量是 n ，只有在运行时才能知道 n 到底是多少。然后，就为struct vstring 分配它需要的内存：它本身占用的内存长度，再加上 n 个数组成员占用的内存长度。
最后， len 属性记录一下 n 是多少。
这样就可以让数组 chars 有 n 个成员，不用事先确定，可以跟运行时的需要保持一致。
弹性数组成员有一些专门的规则。首先，弹性成员的数组，必须是 struct 结构的最后一个属性。另外，除了弹性数组成员，struct 结构必须至少还有一个其他属性。