[从0开始的C语言] C语言结构体详解-优快云博客

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1. 结构体基础入门

1.1 为什么需要结构体？

在C语言中，结构体（struct）是一种自定义的数据类型，可以将多个不同类型的数据组合在一起。本文将介绍结构体的基本概念、变量创建与初始化，并重点解析结构体的内存对齐。此外，我们还将介绍与结构体相关的union（联合体）和enum（枚举）。

1. 结构体基础入门

struct 结构体标签 {
    类型 成员1;
    类型 成员2;
    // ...
};

1.1 为什么需要结构体？

当我们要描述一个复杂对象时（如学生信息），单一数据类型无法满足需求。结构体可以将不同类型的数据打包成一个整体。

// 传统方式需要多个独立变量
int stu_id;
char stu_name[20];
float stu_score;

// 结构体解决方案
struct Student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
};

1.2 结构体类型定义

使用struct关键字创建自定义类型：

struct 结构体标签 {
    类型 成员1;
    类型 成员2;
    // ...
};

示例：通讯录联系人

struct Contact {
    char name[30];
    char phone[12];
    int age;
    char address[50];
};

2. 结构体变量操作

2.1 变量声明方式

// 方式1：声明时直接创建
struct Student {
    // 成员列表
} stu1, stu2;

// 方式2：先定义类型再声明变量
struct Student stu3;

// 方式3：使用typedef简化
typedef struct {
    // 成员列表
} Student;
Student stu4;

2.2 变量初始化

// 顺序初始化
struct Point {
    int x;
    int y;
};
struct Point p1 = {10, 20};

// C99指定初始化（可乱序）
struct Point p2 = {.y = 30, .x = 5};

// 结构体数组初始化
struct Student class[3] = {
    {101, "Alice", 89.5},
    {102, "Bob", 92.0},
    {103, "Charlie", 78.5}
};

3. 结构体的内存对齐

C语言的结构体在内存中存储时，会遵循内存对齐规则，以提高CPU的访问效率。

3.1 为什么需要内存对齐？

硬件访问效率：CPU读取内存时以4/8字节为单位
平台移植性：不同系统可能有不同的对齐要求

3.2 内存对齐规则

通过实例分析内存布局：

struct Example {
    char a;     // 1字节
    int b;      // 4字节
    char c;     // 1字节
};

未对齐状态猜想：

[char][   int   ][char] → 1+4+1=6字节

实际内存布局（假设4字节对齐）：

Offset 0: [char a][填充3字节]
Offset 4: [    int b    ]
Offset 8: [char c][填充3字节]
总大小：12字节

3.2.1 内存对齐规则详解

对齐原则
- 每个成员变量的偏移量必须是该成员**自身类型大小或默认对齐数（通常是编译器默认的对齐方式）的整数倍。
- 结构体的总大小必须是最大对齐数的整数倍。
示例解析
- char a; 占 1 字节，但 int b; 需要4字节对齐，因此 a 后面会填充 3 个字节。
- int b; 按 4 字节对齐，占 4 字节。
- char c; 需要 1 字节对齐，占 1 字节。
- 结构体总大小需要是最大对齐数 4 的整数倍，因此最终大小是 12 字节。

0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
| a |   empty   |       b       | c |   empty   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

最终结构体大小为 12 字节，而不是 6 字节。

3.3 优化技巧

调整成员顺序可节省空间：

// 优化前：12字节
struct S1 {
    char a;
    int b;
    char c;
};

// 优化后：8字节
struct S2 {
    int b;
    char a;
    char c;
};

优化前：

0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
| a |   empty   |       b       | c |   empty   |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

优化后：

0   1   2   3   4   5   6   7   8
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|       b       | a | c | empty |  
+---+---+---+---+---+---+---+---+

3.4 查看与修改对齐

查看结构体大小

printf("结构体大小：%zu\n", sizeof(struct Example));

修改对齐方式

#pragma pack(1) // 设置1字节对齐
struct PackedStruct {
    // 成员定义
};
#pragma pack()  // 恢复默认对齐

offsetof宏查看成员偏移量

// 查看成员偏移示例
#include <stddef.h>
printf("b的偏移量：%zu\n", offsetof(struct Example, b));

4. 联合体（Union）

union（联合体）与struct类似，但所有成员共享同一块内存，因此联合体的大小等于其最大成员的大小。

4.1 定义联合体

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

4.2 联合体的内存布局

0   1   2   3   4   5   ...     19  
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|           str (20B)           |
+---+---+---+---+---+---+---+---+

整个 union 的大小是 20 字节，因为 str[20] 是最大成员。

4.3 用 union 判断字节序

#include <stdio.h>

union EndianTest {
    int i;
    char c;
};

int main() {
    union EndianTest test;
    test.i = 1;
    if (test.c == 1) {
        printf("小端序\n");
    } else {
        printf("大端序\n");
    }
    return 0;
}

如果输出 小端序，说明最低字节存储在最低地址（即 Little Endian 方式）。

5. 枚举（Enum）

enum（枚举）用于定义一组具名整数常量，提升代码可读性。

定义枚举类型:

enum Color {
    RED,    // 默认值 0
    GREEN,  // 默认值 1
    BLUE    // 默认值 2
};

可以手动指定值：

enum Color {
    RED = 1,
    GREEN = 5,
    BLUE = 10
};

使用枚举:

enum Color c = GREEN;
printf("Color: %d\n", c); // 输出 5

6. 总结

struct 组合不同类型数据，支持内存对齐。
union 共享同一块内存，仅存储一个成员的值，节省内存但有数据覆盖风险。
enum 定义具名整数常量，提高可读性。
结构体优化成员顺序可以减少内存浪费。
使用 union 可以判断系统的字节序。