【C语言】结构体structure

【C语言】结构体structure：

• C语言可以自定义数据类型。结构体是其中一个自定义的数据类型。
• 结构体类型是复杂的数据类型，将多个不同数据按一定功能进行整体封装，用一个名称来给结构体命名。可用typedef为结构体提供别名。
• 关键字struct。结构体包括结构体名称、结构体成员(由成员类型和成员变量名组成)。
• 结构体中各成员的类型可以不同，可以是基本数据类型，也可以其它结构体或指针等。
• 需要定义结构体类型。结构体可以作为变量，需要定义该类型的变量。结构体也可以作为函数参数传递，也可以作为函数的返回类型。结构体还可以定义更复杂的抽象数据类型(链表、树等)。

1、定义结构体类型

结构体类型：

关键字struct。结构体包括结构体名称、结构体的成员(由成员类型和成员变量名称组成)。

结构体中各成员的类型可以不同，可以是基本数据类型，也可以其它结构体或指针等。

注意：

① 最后的分号";"不能省略。

② 一般在所有函数之前定义结构体类型。

struct 结构体名称          //结构体名称:即结构体标签
{
    结构体的成员1;         // 结构体的成员:由成员类型和成员变量名称组成
    结构体的成员2;              
    ...
};

// 例如：名为person的结构体，成员变量有字符串name,整数age,字符串job
struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

2、结构体作为变量

（2-1）定义结构体变量

定义结构体类型后，定义结构体变量。可以定义一个或多个结构体变量。

注意：

① 定义结构体类型，不会分配内存。定义结构体变量后，才会为变量分配内存。

② 一般在所有函数之前定义结构体类型。在具体函数中定义局部的结构体变量。

③ 结构体变量名可以和结构体名称相同。

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

struct person p;                   // 定义一个结构体变量
struct person p1, p2, p3;          // 定义多个结构体变量
struct person p1, p2[60], *p3;     // 定义多个结构体变量

（2-2）访问结构体成员

使用成员访问运算符(". ")来访问结构体成员，即：结构体变量名**.**结构体成员变量名。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

int main(void)
{
    struct person p; 

    strcpy(p.name, "Mark");
    p.age = 25;
    strcpy(p.job, "teacher");

    printf("p.name = %s, p.age = %d, p.job = %s\n", p.name, p.age, p.job);
    return 0;
}

// 结果：
p.name = Mark, p.age = 25, p.job = teacher

补充：

也可以在定义结构体类型的时候定义结构体变量，在结构体的末尾大括号{ }外 最后一个分号**;**前。可以定义一个或多个结构体变量。

定义结构体变量时可以给变量设置初始值，可以使用成员访问运算符(".")访问结构体成员。

注意：若在所有函数之前定义结构体类型，则同时定义的结构体变量就是全局变量。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
} p = {"Jack",18,"programmer"};     // 定义结构体类型时,定义一个结构体变量

int main(void)
{
    printf("p.name = %s, p.age = %d, p.job = %s\n", p.name, p.age, p.job);
    return 0;
}

// 结果：
p.name = Jack, p.age = 18, p.job = programmer

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
} p[] = {                             // 定义结构体类型时,定义一个结构体数组变量
    {"Jack",18,"programmer"},
    {"Mark",25,"teacher"}
};

int main(void)
{
    int n = sizeof(p) / sizeof(struct person);   // 获取数组元素个数
    for(int i = 0;i < n;i++)
    {
        printf("p[%d].name = %s, p[%d].age = %d, p[%d].job = %s\n", i, p[i].name, i, p[i].age, i, p[i].job);
    }   
    return 0;
}

// 结果：
p[0].name = Jack, p[0].age = 18, p[0].job = programmer
p[1].name = Mark, p[1].age = 25, p[1].job = teacher

3、结构体作为函数参数

结构体作为参数传给函数，传入方式与其它类型变量或指针相同。

注意：结构体作为函数参数，向函数传递的是结构体副本，不会修改原结构体内容。若要修改原结构体内容，则使用结构体指针作为函数参数。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

void changestruct(struct person person);

int main(void)
{
    struct person p; 

    strcpy(p.name, "John");
    p.age = 18;
    strcpy(p.job, "programmer");
    printf("programmer: %s, age %d\n", p.name, p.age);
    changestruct(p);                        // 结构体作为参数传入函数
    printf("End: programmer: %s, age %d\n", p.name, p.age);

    return 0;
}

void changestruct(struct person person)    // 参数类型是结构体类型 
{    
    person.age = 22;                  // 不修改原结构体
    printf("After: programmer: %s, age %d\n", person.name, person.age);
}

// 结果：
programmer: John, age 18
After: programmer: John, age 22
End: programmer: John, age 18

4、结构体作为函数返回值

函数若返回结构体，则函数的返回类型是结构体类型，需有结构体变量接收函数返回的结构体。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

struct person getstruct(void);         // 函数返回类型是结构体类型

int main(void)
{
    struct person p;                  // 定义结构体变量
    p = getstruct();                  // 接收函数返回的结构体
    
    if(strcmp(p.job, "programmer") == 0)
        printf("programmer: %s, age %d\n", p.name, p.age);

    return 0;
}

struct person getstruct(void)         // 函数返回类型是结构体类型 
{
    struct person person; 

    strcpy(person.name, "Willion");
    person.age = 30;
    strcpy(person.job, "programmer");

    return person;                    // 函数返回结构体
}

// 结果：
programmer: Willion, age 30

5、结构体可以作为其它结构体的成员

注意：若结构体的成员是其它结构体(子结构体)，则子结构体必须在之前定义，才能作为结构体的成员。否则，报错(error: field 'birth' has incomplete type。 注:此处birth为成员变量名)。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct birthday
{
    int year;
    int month;
};

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
    struct birthday birth;      // 结构体成员为其它结构体
};

int main(void)
{
    struct person p;

    strcpy(p.name, "Jack");
    p.age = 18;
    strcpy(p.job, "programmer");
    p.birth.year = 2006;        // 使用成员访问运算符"."一级一级访问成员
    p.birth.month = 2;

    printf("%s, %d, %s, birthday %d-%d", p.name, p.age, p.job, p.birth.year, p.birth.month);
    return 0;
}

// 结果：
Jack, 18, programmer, birthday 2006-2

6、结构体大小

• 使用sizeof获取结构体大小。
• sizeof(结构体变量)，返回结构体所有成员的内存的大小以及可能的填充字节。
• 因结构体的内存布局和对齐方式，可能会占用字节填充。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];        // 字符串name:32字节
    int age;              // 整数age:4字节
    char *job;            // 字符串指针job:8字节(64位的计算机。若是32位的计算机，则4字节)
};

int main(void)
{
    struct person p;
    printf("p memory size is %d\n", sizeof(p));
    return 0;
}

// 结果：
p memory size is 48       // 优化对齐，有填充

可使用__attribute__设置内存布局，告诉编译器在编译过程中进行优化对齐。此功能和编译器有关。gcc编译器是非紧凑模式的。

attribute((packed))：使用紧凑内存布局，即取消优化对齐，按实际占用字节数对齐。

注意：attribute两边都是两个下划线"_"。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];        // 字符串name:32字节
    int age;              // 整数age:4字节
    char *job;            // 字符串指针job:8字节(64位的计算机)
};

struct person_packed
{
    char name[32];
    int age;
    char *job;
}__attribute__((packed));    // 取消优化对齐

int main(void)
{
    struct person p;
    struct person_packed p_packed;
    printf("p memory size is %d\n", sizeof(p));
    printf("p_packed memory size is %d\n", sizeof(p_packed));
    return 0;
}

// 结果：
p memory size is 48            // 优化对齐，有填充
p_packed memory size is 44     // 取消优化对齐

可使用标准库stddef**.**h中的宏offsetof查看结构体中各成员相对于结构体开头偏移多少字节。

宏 offsetof 的声明： offsetof(type, member-designtor)

参数：type是class类型(例如：结构体)，member-designtor是结构体的成员变量名。

返回：结构体的成员变量名相对于结构体开头的偏移量(单位：字节)。

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct person
{
    char name[32];        // 字符串name:32字节
    int age;              // 整数age:4字节
    char *job;            // 字符串指针job:8字节(64位的计算机)
};

struct person_packed
{
    char name[32];
    int age;
    char *job;
}__attribute__((packed));    // 取消优化对齐

int main(void)
{
    printf("structure person: name offset %d bytes\n",offsetof(struct person, name));
    printf("structure person: age offset %d bytes\n",offsetof(struct person, age));
    printf("structure person: job offset %d bytes\n",offsetof(struct person, job));

    printf("structure person_packed: name offset %d bytes\n",offsetof(struct person_packed, name));
    printf("structure person_packed: age offset %d bytes\n",offsetof(struct person_packed, age));
    printf("structure person_packed: job offset %d bytes\n",offsetof(struct person_packed, job));
    return 0;
}

// 结果：
structure person: name offset 0 bytes
structure person: age offset 32 bytes
structure person: job offset 40 bytes          // 优化对齐，有填充
structure person_packed: name offset 0 bytes
structure person_packed: age offset 32 bytes
structure person_packed: job offset 36 bytes

7、结构体指针

指针指向结构体时，该指针称为结构体指针。指针变量存储的是结构体变量的内存地址。

• 需要结构体变量，并获取结构体变量的内存地址(&结构体变量)。
• 需要结构体指针(*结构体指针变量)。
• 指针指向结构体(结构体指针变量=&结构体变量)。
• 通过"->"访问指针指向的结构体的成员(结构体指针变量->结构体成员)。也可以使用". "访问结构体成员( (*结构体指针变量). 结构体成员)。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

int main(void)
{
    struct person person = {"John", 18, "programmer"};       // 声明结构体变量，并初始化
    struct person *p;                                        // 声明结构体指针变量
    p = &person;                                             // 指针指向结构体
    printf("%s, %d, %s\n", p->name, p->age, p->job);         // 通过"->"访问结构体成员
    printf("%s, %d, %s\n", (*p).name, (*p).age, (*p).job);   // 通过"."访问结构体成员
    return 0;
}

// 结果：
John, 18, programmer
John, 18, programmer

可以根据用户输入，通过指针将内容写入结构体中。

#include <stdio.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

int main(void)
{
    struct person *p, person;                                // 声明结构体指针和结构体变量
    p = &person;                                             // 指针指向结构体

    printf("Input name: ");
    scanf("%s", &p->name);                                   // 获取用户输入，存储到结构体指针指向的结构体成员变量

    printf("Input age: ");
    scanf("%d", &p->age);

    printf("Input job: ");
    scanf("%s", &p->job);

    printf("%s, %d, %s\n", p->name, p->age, p->job);         // 通过"->"访问结构体成员
    printf("%s, %d, %s\n", (*p).name, (*p).age, (*p).job);   // 通过"."访问结构体成员
    return 0;
}

// 结果：
Input name: John                 【输入：John】
Input age: 18                    【输入：18】
Input job: programmer            【输入：programmer】
John, 18, programmer
John, 18, programmer

可以将结构体指针作为函数参数，结构体指针指向结构体，可通过指针修改原结构体内容。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
};

int changestruct(struct person *p);

int main(void)
{
    struct person *p, p1 = {"John", 18, "programmer"};
    p = &p1;                                               // 结构体指针指向结构体(即结构体指针变量中存储结构体的内存地址)
    printf("Before: %s, %d, %s\n", p->name, p->age, p->job);
    changestruct(p);                                       // 结构体指针作为参数传入函数
    printf("After: %s, %d, %s\n", p->name, p->age, p->job);
    return 0;
}

int changestruct(struct person *p)                          // 函数参数是结构体指针
{
    strcpy(p->name, "Mark");
    p->age = 25;
    strcpy(p->job, "teacher");
    return 0;
}

// 结果：
Before: John, 18, programmer
After: Mark, 25, teacher

8、typedef 数据类型重命名

每次定义结构体变量时，都要使用"struct 结构体名称 结构体变量名"，使得代码繁琐。

可以使用typedef给整个结构体定义提供别名，每次定义结构体变量时，只需"别名 结构体变量名"即可，即用 "别名" 代替 "struct 结构体名称" 。

typedef：数据类型重命名(提供别名)

• 可以给基本数据类型重命名，也可以给指针、数组、结构体等数据类型重命名。
• 结构体重命名后，原结构体定义仍保留，不会丢失或改变。
• 数据类型重命名，可以减少因误解或混淆导致的错误，使得代码更简洁易读。

typedef struct person
{
    char name[32];
    int age;
    char job[16];
} Person;                   //名为person的结构体,别名为Person

Person person;              // 定义结构体变量person
Person *p                   // 定义结构体指针p
int fun1(Person person)     // 结构体person作为函数参数
int fun1(Person *p)         // 结构体指针p作为函数参数
...