C语言结构体如何定义与使用？

什么是结构体？

在 C 语言中，结构体 是一种用户自定义的数据类型，它允许你将不同类型的变量组合成一个单一的、有意义的整体。

打个比方：

• 一个 int 类型只能存储一个整数。
• 一个 float 类型只能存储一个浮点数。
• 但一个“学生”的信息，包含了姓名（字符串）、年龄（整数）、成绩（浮点数）等多个不同类型的数据。

结构体就相当于一个“模板”，我们可以用它来创建“学生”这样的数据类型，把学生的所有信息都打包在一起。

为什么需要结构体？

1. 数据组织：将相关联的数据项组合在一起，使代码更有条理，更易于理解。
2. 数据传递：当需要传递一个复杂对象的所有数据时，传递一个结构体变量比传递多个独立的参数要方便得多。
3. 创建复杂数据结构：结构体是构建链表、树、图等复杂数据结构的基础。

如何定义和声明结构体？

1 定义结构体类型

使用 struct 关键字来定义一个结构体，定义只是创建了一个“蓝图”，并不会分配内存。

struct Student {
    char name[50]; // 成员：姓名
    int age;       // 成员：年龄
    float score;   // 成员：成绩
};

• struct Student 是这个新类型的名称。
• name, age, score 是结构体的成员或字段。
• 注意：定义的末尾需要一个分号 ，这是一个非常常见的初学者错误点。

2 声明结构体变量

定义好类型后,我们就可以像使用 int, char 一样来声明变量了。

先定义类型，再声明变量

struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float score;
};
// 声明两个 Student 类型的变量
struct Student student1;
struct Student student2;

在定义类型的同时声明变量

struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float score;
} student1, student2; // 直接在这里声明变量

使用 typedef 创建别名（强烈推荐）

typedef 可以为一个已有的类型（包括我们自定义的结构体）创建一个新的名称，这能让代码更简洁、更易读。

// 定义结构体 Student 并为其创建别名 Stu
typedef struct {
    char name[50];
    int age;
    float score;
} Stu;
// 现在可以直接使用 Stu 来声明变量，而无需 struct Student
Stu student1;
Stu student2;

最佳实践：在 C 语言中，使用 typedef 为结构体创建别名是一种非常普遍且推荐的做法。

如何访问和初始化结构体成员？

使用成员访问运算符（也叫“点运算符”） 来访问结构体变量的成员。

1 初始化

#include <stdio.h>
#include <string.h>
typedef struct {
    char name[50];
    int age;
    float score;
} Stu;
int main() {
    // 声明并初始化
    Stu student1 = {"张三", 18, 95.5f};
    // 先声明，后逐个赋值
    Stu student2;
    strcpy(student2.name, "李四"); // 字符串不能直接用 = 赋值，需要 strcpy
    student2.age = 19;
    student2.score = 88.0f;
    // 访问并打印成员
    printf("学生1: 姓名=%s, 年龄=%d, 成绩=%.1f\n", student1.name, student1.age, student1.score);
    printf("学生2: 姓名=%s, 年龄=%d, 成绩=%.1f\n", student2.name, student2.age, student2.score);
    return 0;
}

2 访问和修改成员

// 修改 student1 的成绩
student1.score = 98.0f;
// 访问成员
printf("%s 的最新成绩是: %f\n", student1.name, student1.score);

结构体的其他重要特性

1 结构体数组

可以创建一个结构体数组,来存储多个相同类型的结构体对象。

Stu class[5]; // 创建一个可以存放5个学生的数组
// 初始化数组
Stu class[5] = {
    {"张三", 18, 95.5},
    {"李四", 19, 88.0},
    {"王五", 18, 92.5},
    {"赵六", 20, 76.5},
    {"钱七", 19, 85.0}
};
// 访问数组中的元素
printf("第二个学生是: %s\n", class[1].name);

2 结构体指针

可以声明一个指向结构体的指针。

Stu student = {"王五", 18, 92.5f};
Stu *ptr = &student; // ptr 指向 student 变量的地址
// 通过指针访问成员
// 方式1: 使用解引用运算符 * 和点运算符 .
printf("姓名: %s\n", (*ptr).name);
// 方式2: 使用结构体指针成员访问运算符 ->
// 这是更常用、更简洁的方式
printf("年龄: %d\n", ptr->age);
printf("成绩: %.1f\n", ptr->score);

-> 和 的区别：

• 用于结构体变量。
• ->：用于结构体指针。

3 结构体作为函数参数

结构体可以作为函数的参数传递,主要有两种方式：

1. 传值：将整个结构体的副本传递给函数，这会消耗较多内存和CPU时间，特别是当结构体很大时。
2. 传指针：只传递结构体的地址给函数，这非常高效，函数内部可以通过指针修改原始结构体的内容。

示例：

#include <stdio.h>
typedef struct {
    int x;
    int y;
} Point;
// 传值：函数内部修改不会影响原始变量
void printPointByValue(Point p) {
    p.x = 100; // 修改副本
    printf("函数内部 (传值): x = %d, y = %d\n", p.x, p.y);
}
// 传指针：函数内部修改会影响原始变量
void printPointByPointer(Point *p) {
    p->x = 200; // 修改原始变量
    printf("函数内部 (传指针): x = %d, y = %d\n", p->x, p->y);
}
int main() {
    Point myPoint = {10, 20};
    printf("调用前: x = %d, y = %d\n", myPoint.x, myPoint.y);
    printPointByValue(myPoint);
    printf("传值调用后: x = %d, y = %d\n", myPoint.x, myPoint.y); // myPoint.x 仍然是 10
    printPointByPointer(&myPoint);
    printf("传指针调用后: x = %d, y = %d\n", myPoint.x, myPoint.y); // myPoint.x 变成了 200
    return 0;
}

为了避免不必要的拷贝开销,并且允许函数修改原始数据，通常推荐使用指针来传递结构体。

结构体的内存对齐

这是一个高级但非常重要的概念,为了提高内存访问效率，编译器会在结构体成员之间插入一些“填充字节”（Padding），使得每个成员的内存地址都是其自身大小的整数倍。

示例：

#include <stdio.h>
typedef struct {
    char c;   // 1 字节
    int i;    // 4 字节
    short s;  // 2 字节
} TestStruct;
int main() {
    printf("sizeof(char) = %zu\n", sizeof(char));      // 1
    printf("sizeof(int) = %zu\n", sizeof(int));        // 4
    printf("sizeof(short) = %zu\n", sizeof(short));    // 2
    printf("-----------------\n");
    printf("sizeof(TestStruct) = %zu\n", sizeof(TestStruct)); // 输出可能是 12，而不是 1+4+2=7
    return 0;
}

为什么是 12？ 内存布局可能是这样的：

[ c ] [ Pad3 ] [ i ] [ s ] [ Pad2 ]
  1      3       4      2      2

• char c 占 1 字节。
• 为了让 int i 的地址是 4 的倍数，需要在 c 后面填充 3 个字节。
• int i 占 4 字节。
• short s 占 2 字节，其地址已经是 2 的倍数（8），所以不需要填充。
• 结构体的总大小（12）必须是其中最大成员大小（4）的倍数，因为 7 不是 4 的倍数，所以需要在最后再填充 2 个字节。

如何控制内存对齐？ 可以使用 #pragma pack 指令来告诉编译器使用特定的对齐方式，但这通常只在需要与硬件或其他语言交互时才使用。

掌握结构体是学习 C 语言迈向高级编程的关键一步，它是理解面向对象编程（C++中的 class 就是在 struct 基础上发展而来的）和复杂数据结构的基础。