学而时习之：C++中的结构体

C++ 中的结构体

C++ 结构体用于创建用户自定义数据类型，这些类型可用于存储不同数据类型的数据项集合。

struct 关键字用于定义结构体。结构体中的元素称为其成员，它们可以是任何有效的数据类型。

结构体的应用包括创建数据结构，如链表和树。结构体还可用于在软件中表示现实世界的对象，例如大学管理软件中的学生和教职工。

与 C 语言中的结构体不同，在 C++ 中创建结构体类型的变量时，无需使用 struct 关键字。 在 C++ 中，结构体可以包含方法和构造函数。

1.语法

在使用结构体之前，我们首先需要使用 struct 关键字来定义结构体，具体形式如下：

cpp 复制代码

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

示例： 上述过程也称为结构体定义。结构体定义本身不会分配任何内存，也不能直接在程序中使用。我们必须创建该结构体的变量才能使用它。

2.结构体变量

结构体定义后，可以像创建基本数据类型变量一样创建结构体变量。

cpp 复制代码

struct_name var_name;

其中 struct_name 是结构体的名称，var_name 是变量的名称。

变量也可以在定义结构体的同时声明：

cpp 复制代码

struct name
{
    type1 mem1;
    type2 mem2;
    ...
} var1, var2;

3.初始化结构体成员

结构体成员不能在声明时初始化。例如，以下 C++ 程序编译失败：

cpp 复制代码

struct Point
{
    int x = 0;
    int y = 0;
};

结构体成员可以使用花括号 {} 中提供的值进行初始化。例如：

cpp 复制代码

struct Point
{
    int x, y;
};

int main()
{
    // 使用花括号初始化结构体的数据成员
    Point p1 = {0, 1};

    return 0;
}

花括号 {} 中提供的值会按顺序分配给结构体成员。在上面的例子中，0 分配给成员 x，1 分配给成员 y。

从 C++20 开始，我们还可以使用指定初始化器（Designated Initializers）来初始化结构体成员。

4.访问和修改成员

结构体成员使用点运算符（.）访问，也可以使用赋值运算符（=）赋新值。

cpp 复制代码

var_name.member_name;           // 访问成员
var_name.member_name = new_val; // 修改成员

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

struct Point
{
    int x, y;
};

int main()
{
    Point p = {0, 1};

    // 访问成员
    cout << p.x << " ";
    cout << p.y << endl;

    // 修改成员
    p.x = 99;

    // 再次访问成员
    cout << p.x << " ";
    cout << p.y;

    return 0;
}

复制代码

0 1
99 1

5.结构体中的成员函数

在C语言结构体中，不允许在结构体内部定义函数，但在C++中，我们可以在结构体内部声明函数。它们被称为 结构体_成员函数 ，而变量被称为 结构体_数据成员。与C结构体相比，C++结构体与C++类更加相似。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

struct Point
{
    int x, y;

    // 成员函数
    int sum()
    {
        return x + y;
    }
};

int main()
{
    Point s = {0, 1};

    // 使用点运算符(.)调用成员函数
    cout << s.sum();

    return 0;
}

复制代码

C++结构体还支持其他类组件，如构造函数、析构函数、访问说明符等。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

struct Point
{
  private:
    int x, y;

  public:
  
    // 构造函数
    Point(int a, int b)
    {
        x = a;
        y = b;
    }

    // 成员函数
    void show()
    {
        cout << x << " " << y << endl;
    }

    // 析构函数
    ~Point()
    {
        cout << "Destroyed Point Variable" << endl;
    }
};

int main()
{
    // 使用构造函数创建Point变量
    Point s1(1, 1);
    Point s2(99, 1001);

    s1.show();
    s2.show();
    return 0;
}

yaml 复制代码

1 1
99 1001
Destroyed Point Variable
Destroyed Point Variable

6.结构体的大小

结构体的大小由其各个数据成员的大小之和决定，但编译器会添加额外的填充（padding）以确保适当的 内存对齐。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

struct GfG
{
    char c; 1字节
    int x; 4字节
    int y; 4字节
};

int main()
{
    // 计算大小
    cout << sizeof(GfG);

    return 0;
}

复制代码

理想情况下，大小应该是所有数据成员的大小之和，即 sizeof(char) + 2 * sizeof(int) = 1 + 8 = 9 字节。但实际输出的大小却是 12[4+4+4] 字节。这就是由于前面提到的结构体填充造成的。

成员函数不会增加结构体的大小。此外，在 C++ 中，结构体的大小不能为 0。

7.typedef

在 C++ 中，typedef 用于为现有变量创建别名。类似地，对于结构体，typedef 会为结构体的原始名称创建一个别名。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

typedef struct GeeksforGeeks
{
    int x, y;
} GfG; // 在此处指定别名

int main()
{
    // 使用别名
    GfG s = {0, 1};
    
    cout << s.x << " " << s.y << endl;
    return 0;
}

复制代码

0 1

8.嵌套结构体

C++中的嵌套结构体指的是在一个结构体内部定义的另一个结构体。就像结构体成员在结构体内部声明一样，一个结构体也可以作为成员声明在另一个结构体内部。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义内部结构体
struct inner
{
    int a, b;
};

// 定义包含内部结构体的外部结构体
struct outer
{
    inner in;
    int x, y;
};

int main()
{
    outer obj = {{1, 2}, 10, 20};
    cout << "Inner: " << obj.in.a << " " << obj.in.b << endl;
    cout << "Outer: " << obj.x << " " << obj.y;

    return 0;
}

makefile 复制代码

Inner: 1 2
Outer: 10 20

注意初始化时多添加了一对花括号。这是为了初始化内部结构体。

内部结构体也可以直接定义在外部结构体内部，甚至无需为结构体命名，只需创建一个变量名即可。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 定义包含内部结构体的外部结构体
struct outer{
    // 嵌套结构体
    struct inner{
        int a, b;
    } in;
    int x, y;
};

int main()
{
    outer obj = {{1, 2}, 10, 20};
    cout << "Inner: " << obj.in.a << " " << obj.in.b << endl;
    cout << "Outer: " << obj.x << " " << obj.y;

    return 0;
}

makefile 复制代码

Inner: 1 2
Outer: 10 20

9.结构体指针

在 C++ 中，指向结构体的指针也被称为结构体指针。它是一个指针，保存着结构体存储的内存位置的地址。访问结构体成员的正常方式是先解引用指针，然后使用点运算符，但 C++ 提供了 -> 箭头运算符，可以直接通过指针访问结构体成员。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

struct GfG{
    int count;
    void showCount(){
        cout << count << endl;
    }
};

int main(){
    GfG gfg = {224};
    GfG *sptr = &gfg;   // 创建指针
    sptr->showCount(); // 使用箭头运算符访问
    return 0;
}

复制代码

10.自引用结构体

自引用结构体是指包含指向相同类型指针作为成员的结构体。例如：

cpp 复制代码

// 自引用结构体
struct GfG {
    int val;
    
    // 指向相同类型的指针
    GfG *next;
}

这类结构体用于链表、树等数据结构中。

结构体只能包含指向相同类型的指针，而不能包含相同类型的变量。这是因为在结构体完整定义之前无法推导其大小信息。

11.结构体与函数

结构体在函数中的使用方式与其他变量类似。我们可以将结构体传递给函数或从函数返回结构体，就像处理其他变量一样。此外，我们可以按值或按引用传递结构体。然而，推荐的做法是按引用传递结构体，因为复制结构体是一个开销较大的操作。

12.结构体与类

在 C++ 中，结构体的工作方式与类相似，但它们之间存在一些关键差异。重要的区别在于实现细节的处理方式。

默认情况下，结构体不隐藏其实现细节，允许任何使用该结构体的人访问它们。另一方面，类默认会隐藏其实现细节，从而阻止程序员访问它们。