C语言 - 结构体、结构体数组、结构体指针和结构体嵌套

结构体的意义

问题：学籍管理需要每个学生的下列数据：学号、姓名、性别、年龄、分数，请用 C 语言程序存储并处理一组学生的学籍。
单个学生学籍的数据结构：

• 学号（num）： int 型
• 姓名（name) ：char [ ] 型
• 性别（sex）：char 型
• 年龄（age）：int 型
• 分数（score）：float 型
  思考：如果有多个学生，该怎么定义，已学数据类型无法解决（已学的数据类型需要定义好多变量，不友好）。

概述

• 正式：
  结构体是由一批数据组合而成的结构型数据。组成结构型数据的每个数据被称为结构型数据的 “成员” ，其描述了一块内存区间的大小及解释意义。
• 通俗：
  结构体属于用户自定义的数据类型，允许用户存储不同的数据类型。

在C语言中，定义结构体的语法格式如下：

struct 结构体名 {
    类型 成员1;
    类型 成员2;
    // ...
};

其中，结构体名是您自定义的结构体类型名称，可以根据需求进行命名。成员1、成员2等表示结构体的成员变量，每个成员都有自己的类型和名称。

定义结构体后，可以使用该结构体类型创建结构体变量，并访问结构体的成员。访问结构体成员的语法是使用结构体变量名后跟成员名，中间使用点.进行连接。

结构体的使用：

• struct 结构体名 变量名

• struct 结构体名 变量名 = {成员1值，成员2值…}

• 定义结构体时顺便创建变量（这时候创建几个变量都可以，中间用逗号隔开，直接在创建的时候赋值也可以，例如：）

  struct student
  {
    int num; //学号
    char name[16];  //姓名
    float score;  //成绩
  }stu5 = {1002,"lihua",89},stu6;
  

• 如果只想给一部分数据赋值的话：

  struct 结构体名 变量名 = {
  .name = "cuiyi",
  .num = 111,
  };
  

下面是一个更完整的示例：

#include 

// 定义一个结构体
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

int main() {
    // 创建一个结构体变量
    struct Person person1;

    // 访问结构体的成员
    strcpy(person1.name, "John");
    person1.age = 25;
    person1.height = 1.75;

    // 输出结构体的成员
    printf("Name: %s\n", person1.name);
    printf("Age: %d\n", person1.age);
    printf("Height: %.2f\n", person1.height);

    return 0;
}

在上述示例中，我们定义了一个名为Person的结构体，它包含了姓名、年龄和身高三个成员变量。然后，我们创建了一个名为person1的结构体变量，并给它的成员赋值。最后，使用printf函数输出结构体的成员值。

结构体数组

• 作用：将自定义的结构体放入数组中方便维护
• 语法：
  struct 结构体名 数组名[元素个数] = {{}, {}, …{}}
  示例：

#include

struct stu
{
	char name[16];
	int age;
	float score;
}s[3];

int main()
{
	struct stu s[3] = {{"zhangsan",18,500},{"lisi",18,530},{"wangwu",18,550}};
	int i;

	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("name=%s, age=%d, score=%f\n",s[i].name,s[i].age,s[i].score);
	}

	return 0;
}

结构体指针

• 作用：通过指针访问结构体的成员
• 语法：struct 结构体名 *指针名;
• 利用操作符->可以通过结构体指针访问结构体属性（比如s.name 有一个指针 ps 指向 s ，那么可以用 ps->name 代替 s.name）

示例：
结构体数组和结构体指针

#include

struct stu
{
	char name[16];
	int age;
	float score;
}s[3];

int main()
{
	struct stu s[3] = {{"zhangsan",18,500},{"lisi",18,530},{"wangwu",18,550}};
	struct stu *ps = s;//定义一个指针指向结构体数组
	int i;

	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		printf("name=%s, age=%d, score=%f\n",(*(ps+i)).name,(*(ps+i)).age,(*(ps+i)).score);
	}

	return 0;
}

在上面的代码中，一定要记得 (*(ps+i)) 才是一个大括号里面的值，这样才能 .name .age .score 。

结构体嵌套结构体

• 含义
  结构体中的成员可以是另一个结构体
• 语法

struct 结构体名 
{
	struct 结构体名 成员名;
};

示例：

#include 
#include 
 
struct person
{
    char name[16];
    int age;
    char sex;
};
 
struct  student
{
    struct person stu; 
    float score;
};
 
struct teacher
{
    struct person tea;
    char phone[12];
};
 
int main(int argc, const char *argv[])
{
    struct student s;
 
    strcpy (s.stu.name,"zhangsan");
    s.stu.age = 12;
    s.stu.sex = 'm';
    s.score = 98;
 
    printf("name = %s,age = %d, sex = %c, score = %f\n", s.stu.name, s.stu.age, s.stu.sex, s.score);
 
    struct teacher t;
    struct teacher *p = &t;
 
    strcpy (p->tea.name, "lisi");
    p->tea.age = 54; //注意这里操作符 -> 的用法
    p->tea.sex = 'w';
    strcpy (p->phone, "13112341234");
 
    printf("name = %s,age = %d, sex = %c, score = %s\n", t.tea.name, t.tea.age, t.tea.sex, t.phone);
     
    return 0;
}

上述代码中，有一个部分用到了 p->tea.age 这种形式，这是因为p是指针，而 tea 只是一个普通变量，所以从 tea 出发不能用 ->，只有指针才可以使用这个操作符。

结构体大小

字节对齐

• 含义
  字节对齐主要是针对结构体而言的，通常编译器会自动对其成员变量进行对齐，以提高数据存取的效率。（因为如果按照类型实际的大小来判断的话，那么需要判断很多次，这样对齐了以后有规律就不用判断了）
• 作用
  • 平台原因（移植原因）：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
  • 性能原因：数据结构（尤其是栈）应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

计算方法

• 自身对齐 （这个数据类型大小是多少就是多少）
• 默认对齐 （4字节）
• 有效对齐 （在自身对齐和默认对齐之间选最小）
  

规则：（地址 / 有效地址） 必须是整数。

计算过程：

1. 把结构体里每个变量的类型的自身对齐，默认对齐和有效对齐分别写出来；
2. 以有效对齐为准写每个变量的地址，最开始那个变量的地址肯定是0，然后后面叠加，注意在这个过程中要遵从**<规则>**，比如图中的变量 b ，本来地址应该是 1 ，但是因为 1 / 4 不是整数，所以要扩充到 4 凑整，那么这个时候 变量 a 的地址浪费了 1 2 3 这三个地址，又因为 b 本身就是 4 个字节，所以它的地址是 4 5 6 7。 c 和 d 因为都可以整除有效对齐，所以每个都加 1 个字节就行；
3. 最终看一下，有效对齐最大的是 4 ，所以每个都要以 4字节 对齐，则要在变量 d 的后面再补 2 个地址：10 和 11 （因为前面的 8 和 9 已经占了 2 个地址了，还差 2 个地址凑够 4 个地址）。
4. 得出结果：结构体 A 的地址是 0~11 ，所以大小是 12 。

上述过程要注意：能不能整除只能决定每个变量开头的地址，具体要每一行的地址从开头的地址要写到几要看变量类型的 sizeof 是多少。比如有 double c，c的开头地址是 8 ，那么这个变量占的字节就是 8 9 10 11 12 13 14 15 这八个字节。