第七章：结构体与复合数据
目录
一、引言
二、结构体基础
2.1 结构体定义
2.2 结构体变量的声明与初始化
三、结构体对齐
3.1 结构体对齐的概念
3.2 影响结构体对齐的因素
四、链表实现
4.1 链表的基本概念
4.2 单向链表的实现
五、学生管理系统升级版实现
5.1 系统需求升级
一、引言
在 C 语言编程中，处理复杂数据时，简单的数据类型往往捉襟见肘。结构体作为一种复合数据类型，允许将不同类型的数据组合在一起，形成一个有机的整体。而链表作为一种基于结构体的动态数据结构，能有效解决数组在数据存储和管理上的局限性。本章将深入探讨结构体的定义、使用，特别是结构体对齐这一关键概念，同时详细介绍链表的实现，最后通过打造一个升级版的学生管理系统，综合运用这些知识，提升程序的灵活性与实用性。
二、结构体基础
2.1 结构体定义
结构体定义了一种新的数据类型，它将多个不同类型的变量组织在一起。其定义格式如下：
struct structure_name {
data_type member1;
data_type member2;
// 更多成员
};例如，定义一个表示学生信息的结构体：
#include
struct Student {
char name[50];
int age;
float grade;
}; 在上述代码中，struct Student 定义了一个新的数据类型，包含 name（字符数组）- 名字、age（整型）- 年龄 和 grade（浮点型）- 评分三个成员。
2.2 结构体变量的声明与初始化
定义结构体后，就可以声明结构体变量并进行初始化。
int main() {
// 声明结构体变量
struct Student student1;
// 初始化结构体变量
strcpy(student1.name, "Alice");
student1.age = 20;
student1.grade = 3.5;
printf("Student Name: %s\n", student1.name);
printf("Student Age: %d\n", student1.age);
printf("Student Grade: %.2f\n", student1.grade);
return 0;
}当然也可以在声明变量时直接初始化：
struct Student student2 = {"Bob", 21, 3.8};三、结构体对齐
3.1 结构体对齐的概念
结构体对齐是指编译器为结构体成员分配内存时，会在成员之间插入一些填充字节，以确保每个成员都位于特定的内存地址边界上。这主要是为了提高内存访问效率，因为现代计算机硬件在访问特定对齐地址的数据时性能更高。
3.2 影响结构体对齐的因素
- 编译器：不同的编译器对结构体对齐的处理可能略有不同。例如，GCC 编译器默认按照 4 字节对齐（对于 32 位系统）或 8 字节对齐（对于 64 位系统），但可以通过编译选项进行调整。
- 成员类型：结构体中不同类型的成员，其对齐要求不同。例如，在 32 位系统中，
char类型通常按 1 字节对齐，int类型按 4 字节对齐，double类型按 8 字节对齐。 - 结构体整体大小：结构体的总大小通常是其最大对齐成员大小的整数倍。例如，若一个结构体中最大对齐成员是
double（8 字节对齐），则结构体的总大小会是 8 的整数倍。
3.3 示例代码分析
#include
struct Example1 {
char c;
int i;
double d;
};
struct Example2 {
int i;
char c;
double d;
};
int main() {
printf("Size of Example1: %zu\n", sizeof(struct Example1));
printf("Size of Example2: %zu\n", sizeof(struct Example2));
return 0;
} 运行结果：
在上述代码中，struct Example1 中 char 占 1 字节，int 占 4 字节，double 占 8 字节。由于 int 按 4 字节对齐，char 后会填充 3 字节，int 与 double 之间填充 4 字节，所以 struct Example1 的总大小为 16 字节。而 struct Example2 中 int 先占 4 字节，char 占 1 字节后填充 7 字节，所以总大小为 24 字节。
四、链表实现
4.1 链表的基本概念
链表是一种动态数据结构，由一系列节点组成。每个节点包含两部分：数据部分和指针部分。指针部分指向下一个节点，通过这种方式将所有节点连接成一个链式结构。链表分为单向链表、双向链表和循环链表，这里主要介绍单向链表。
4.2 单向链表的实现
1.定义链表节点：
struct ListNode {
int data;
struct ListNode *next;
};在这个结构体定义中，我们定义了一个链表节点。每个节点包含两部分：
int data：存储节点的数据。struct ListNode *next：指向下一个节点的指针。
2.创建新节点：
struct ListNode* createNode(int value) {
struct ListNode *newNode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
newNode->data = value;
newNode->next = NULL;
return newNode;
}这个函数用于创建一个新的链表节点：
- 使用
malloc分配内存空间，大小为struct ListNode结构体的大小。 - 将新节点的数据部分设置为传入的
value。 - 将新节点的指针部分设置为
NULL，表示它目前没有指向任何其他节点。 - 返回新创建的节点指针。
3.插入节点到链表头部：
struct ListNode* insertAtHead(struct ListNode *head, int value) {
struct ListNode *newNode = createNode(value);
newNode->next = head;
return newNode;
}这个函数用于在链表的头部插入一个新节点：
- 调用
createNode函数创建一个新节点。 - 将新节点的
next指针指向当前的头节点head。 - 返回新节点的指针，这个新节点现在成为了新的头节点。
4.遍历链表：
void traverseList(struct ListNode *head) {
struct ListNode *current = head;
while (current != NULL) {
printf("%d -> ", current->data);
current = current->next;
}
printf("NULL\n");
}这个函数用于遍历链表并打印每个节点的数据：
- 使用一个临时指针
current来遍历链表，初始时指向头节点head。 - 在
while循环中，打印当前节点的数据，然后将current移动到下一个节点。 - 当
current为NULL时，表示已经到达链表的末尾，此时打印 "NULL" 并结束循环
5.完整示例：
#include
#include
struct ListNode {
int data;
struct ListNode *next;
};
struct ListNode* createNode(int value) {
struct ListNode *newNode = (struct ListNode*)malloc(sizeof(struct ListNode));
newNode->data = value;
newNode->next = NULL;
return newNode;
}
struct ListNode* insertAtHead(struct ListNode *head, int value) {
struct ListNode *newNode = createNode(value);
newNode->next = head;
return newNode;
}
void traverseList(struct ListNode *head) {
struct ListNode *current = head;
while (current != NULL) {
printf("%d -> ", current->data);
current = current->next;
}
printf("NULL\n");
}
int main() {
struct ListNode *head = NULL;
head = insertAtHead(head, 3);
head = insertAtHead(head, 2);
head = insertAtHead(head, 1);
traverseList(head);
return 0;
} 运行结果：
在 main 函数中：
- 初始化头节点指针
head为NULL，表示链表为空。 - 调用
insertAtHead函数三次，在链表头部依次插入数据3、2和1。插入后，链表顺序为1 -> 2 -> 3。 - 调用
traverseList函数遍历并打印链表。
五、学生管理系统升级版实现
5.1 系统需求升级
在之前学生成绩管理系统的基础上，增加以下功能：
- 支持动态添加和删除学生信息。
- 能够按照学生成绩进行排序（使用链表实现）。
- 优化内存使用，避免内存泄漏。
#include
#include
#include
#define MAX_NAME_LEN 20
struct Student {
char name[MAX_NAME_LEN];
int id;
float score;
};
// 添加学生到数组
void addStudent(struct Student *stuList, int *count) {
if (*count >= 100) {
printf("人数已满！\n");
return;
}
printf("输入姓名 学号 分数：");
scanf("%s %d %f", stuList[*count].name, &stuList[*count].id, &stuList[*count].score);
(*count)++;
}
// 按学号查找学生
void findStudent(struct Student *stuList, int count, int targetId) {
for (int i=0; i 优化预告：下一章将结合文件操作实现数据持久化存储！
-
挑战任务：
实现链表删除指定值的节点（考虑头节点、中间节点、尾节点情况），并处理空链表和值不存在的场景。
下一篇预告：第八章《文件操作》——完成学生管理系统数据存储，实现跨程序数据持久化！
投票题目：
以下结构体的总大小是多少？（32位系统，默认对齐）
struct Data {
char c;
int i;
short s;
};