第14篇：结构体与联合体：复杂数据类型的管理

HYP_Coder

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分类专栏： C语言教程文章标签：开发语言 c语言

于 2024-09-15 06:52:45 首次发布

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结构体与联合体：复杂数据类型的管理

在C语言中，结构体（struct）和联合体（union）是用于处理复杂数据类型的重要工具。它们允许程序员将不同类型的数据组合在一起，从而创建更复杂的数据结构。在本篇文章中，我们将详细探讨结构体和联合体的基本概念、应用场景以及它们之间的区别和关系。

14.1 结构体的基本概念

14.1.1 结构体的定义与初始化

结构体是一种用户定义的数据类型，它可以包含不同类型的数据成员。结构体的定义如下：

c

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

在定义了结构体之后，可以创建结构体变量并对其进行初始化：

c

struct Person person1 = {"Alice", 30, 5.7};

14.1.2 访问结构体成员

可以使用点运算符（.）来访问结构体的成员：

c

printf("Name: %s\n", person1.name);
printf("Age: %d\n", person1.age);
printf("Height: %.2f\n", person1.height);

14.1.3 结构体指针

结构体指针允许你通过指针操作结构体。使用箭头运算符（->）来访问结构体指针指向的结构体的成员：

c

struct Person *pPerson = &person1;
printf("Name: %s\n", pPerson->name);

14.1.4 结构体作为函数参数

结构体可以作为函数参数传递，有两种方式：按值传递和按引用传递（通过指针传递）。

按值传递：将结构体的副本传递给函数。

c

void printPerson(struct Person p) {
    printf("Name: %s\n", p.name);
}

按引用传递：将结构体指针传递给函数。

c

void printPerson(const struct Person *p) {
    printf("Name: %s\n", p->name);
}

14.2 联合体的基本概念

14.2.1 联合体的定义与初始化

联合体是一种数据结构，它允许在同一内存位置存储不同类型的数据，但一次只能存储其中一种类型。联合体的定义如下：

c

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

在定义了联合体之后，可以创建联合体变量并对其进行初始化：

c

union Data data;
data.i = 10; // 只会存储int类型的值

14.2.2 访问联合体成员

可以使用点运算符（.）访问联合体的成员。需要注意的是，设置一个成员会覆盖其他成员的值：

c

data.f = 220.5; // 现在联合体中存储的是float类型的值
printf("Float: %.2f\n", data.f);

14.2.3 联合体作为函数参数

联合体也可以作为函数参数传递，和结构体一样，有按值传递和按引用传递两种方式：

按值传递：将联合体的副本传递给函数。

c

void printData(union Data d) {
    printf("Integer: %d\n", d.i);
}

按引用传递：将联合体指针传递给函数。

c

void printData(const union Data *d) {
    printf("Integer: %d\n", d->i);
}

14.3 结构体与联合体的比较

14.3.1 存储方式

结构体：每个成员都有自己的存储空间，结构体的总大小是所有成员大小的总和。
c
```
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};
```
结构体总大小 = sizeof(name) + sizeof(age) + sizeof(height)
联合体：所有成员共享同一块存储空间，联合体的总大小是最大成员大小。
c
```
union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};
```
联合体总大小 = sizeof(str) (最大的成员)

14.3.2 使用场景

结构体：适用于需要存储多种类型的相关数据，并且需要同时访问这些数据的场景。例如，存储一个人的信息。
联合体：适用于需要在同一块内存中存储不同类型数据但只需要存储其中一种类型的场景。例如，处理不同类型的传感器数据。

14.4 结构体和联合体的高级应用

14.4.1 嵌套结构体和联合体

结构体和联合体可以嵌套使用，以处理更复杂的数据结构。例如：

c

struct Address {
    char city[50];
    char state[50];
};

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    struct Address address;
};

c

14.4.2 位域

位域允许在结构体中以特定位数存储数据，用于节省存储空间：

c

struct Flags {
    unsigned int isReady : 1;
    unsigned int isValid : 1;
    unsigned int isError : 1;
};

14.4.3 联合体与位域结合

虽然联合体和位域通常不一起使用，但可以通过联合体中的位域来处理不同的数据存储需求：

c

union Data {
    struct {
        unsigned int part1 : 4;
        unsigned int part2 : 4;
    } parts;
    unsigned int whole;
};

14.5 实际应用示例

14.5.1 结构体用于实现链表

以下是使用结构体实现链表的示例：

c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

void append(Node **head_ref, int new_data) {
    Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    Node *last = *head_ref;

    new_node->data = new_data;
    new_node->next = NULL;

    if (*head_ref == NULL) {
        *head_ref = new_node;
        return;
    }

    while (last->next != NULL) {
        last = last->next;
    }

    last->next = new_node;
}

void printList(Node *node) {
    while (node != NULL) {
        printf("%d -> ", node->data);
        node = node->next;
    }
    printf("NULL\n");
}

int main() {
    Node *head = NULL;

    append(&head, 1);
    append(&head, 2);
    append(&head, 3);

    printList(head);

    Node *temp;
    while (head != NULL) {
        temp = head;
        head = head->next;
        free(temp);
    }

    return 0;
}

c

14.5.2 联合体用于实现数据缓存

以下是使用联合体实现数据缓存的示例：

c

#include <stdio.h>

union DataCache {
    int intData;
    float floatData;
    char strData[20];
};

int main() {
    union DataCache cache;

    cache.intData = 42;
    printf("Integer: %d\n", cache.intData);

    cache.floatData = 3.14;
    printf("Float: %.2f\n", cache.floatData);

    snprintf(cache.strData, sizeof(cache.strData), "Hello");
    printf("String: %s\n", cache.strData);

    return 0;
}

c