C语言中的结构体与联合体：定义与使用

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已于 2025-02-27 11:25:33 修改

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文章标签： c语言

于 2025-02-27 11:22:38 首次发布

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1. 引言

C语言是一种广泛使用的编程语言，其强大的功能和灵活性使其在系统编程、嵌入式开发等领域中占据重要地位。结构体（struct）和联合体（union）是C语言中两种重要的复合数据类型，它们允许程序员将不同类型的数据组合在一起，形成更复杂的数据结构。本文将详细介绍结构体和联合体的定义、使用方法，并通过实际案例展示它们的应用场景。

2. 结构体的定义与使用

2.1 结构体的定义

结构体是一种用户定义的数据类型，它允许将多个不同类型的数据组合在一起。结构体的定义使用struct关键字，其基本语法如下：

struct 结构体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    ...
    数据类型 成员n;
};

例如，定义一个表示学生信息的结构体：

struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
};

2.2 结构体变量的声明与初始化

定义结构体后，可以声明结构体变量并进行初始化。结构体变量的声明和初始化方式如下：

struct 结构体名 变量名;

例如，声明一个Student类型的变量并初始化：

struct Student student1;
strcpy(student1.name, "Alice");
student1.age = 20;
student1.gpa = 3.8;

也可以在声明时直接初始化：

struct Student student2 = {"Bob", 21, 3.9};

2.3 结构体成员的访问

结构体成员通过点运算符（.）访问。例如：

printf("Name: %s\n", student1.name);
printf("Age: %d\n", student1.age);
printf("GPA: %.2f\n", student1.gpa);

2.4 结构体数组

结构体数组是指数组中的每个元素都是一个结构体变量。例如，定义一个包含3个学生的数组：

struct Student students[3] = {
    {"Alice", 20, 3.8},
    {"Bob", 21, 3.9},
    {"Charlie", 22, 3.7}
};

可以通过下标访问数组中的结构体成员：

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    printf("Student %d: %s, %d, %.2f\n", i+1, students[i].name, students[i].age, students[i].gpa);
}

2.5 结构体指针

结构体指针是指向结构体变量的指针。通过结构体指针访问成员时，使用箭头运算符（->）。例如：

struct Student *ptr = &student1;
printf("Name: %s\n", ptr->name);
printf("Age: %d\n", ptr->age);
printf("GPA: %.2f\n", ptr->gpa);

2.6 结构体嵌套

结构体可以嵌套，即一个结构体的成员可以是另一个结构体。例如：

struct Date {
    int day;
    int month;
    int year;
};

struct Employee {
    char name[50];
    struct Date hireDate;
    float salary;
};

访问嵌套结构体成员时，使用多个点运算符：

struct Employee emp1 = {"John", {15, 8, 2020}, 5000.0};
printf("Hire Date: %d/%d/%d\n", emp1.hireDate.day, emp1.hireDate.month, emp1.hireDate.year);

2.7 结构体与函数

结构体可以作为函数的参数和返回值。例如，定义一个函数来打印学生信息：

void printStudent(struct Student s) {
    printf("Name: %s\n", s.name);
    printf("Age: %d\n", s.age);
    printf("GPA: %.2f\n", s.gpa);
}

调用该函数：

printStudent(student1);

结构体指针也可以作为函数参数，以提高效率：

void printStudentPtr(struct Student *s) {
    printf("Name: %s\n", s->name);
    printf("Age: %d\n", s->age);
    printf("GPA: %.2f\n", s->gpa);
}

调用该函数：

printStudentPtr(&student1);

3. 联合体的定义与使用

3.1 联合体的定义

联合体（union）是一种特殊的数据类型，它允许在相同的内存位置存储不同的数据类型。联合体的定义使用union关键字，其基本语法如下：

union 联合体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    ...
    数据类型 成员n;
};

例如，定义一个联合体来表示一个可以存储整数、浮点数或字符的数据类型：

union Data {
    int i;
    float f;
    char c;
};

3.2 联合体变量的声明与初始化

联合体变量的声明和初始化方式与结构体类似。例如：

union Data data1;
data1.i = 10;

也可以在声明时直接初始化：

union Data data2 = {.f = 3.14};

3.3 联合体成员的访问

联合体成员通过点运算符（.）访问。例如：

printf("Integer: %d\n", data1.i);
printf("Float: %.2f\n", data1.f);
printf("Character: %c\n", data1.c);

需要注意的是，联合体的所有成员共享同一块内存，因此修改一个成员的值会影响其他成员的值。

3.4 联合体的内存分配

联合体的内存大小由其最大成员决定。例如，union Data的大小为float类型的大小（通常为4字节），因为float是最大的成员。

printf("Size of union Data: %lu\n", sizeof(union Data));

3.5 联合体的应用场景

联合体常用于需要节省内存的场景，或者在同一个内存位置存储不同类型的数据。例如，在网络协议中，可以使用联合体来表示不同类型的消息：

struct Message {
    int type;
    union {
        int intValue;
        float floatValue;
        char stringValue[50];
    } data;
};

4. 结构体与联合体的比较

4.1 内存分配方式

结构体：每个成员都有独立的内存空间，结构体的总大小为所有成员大小的总和（考虑内存对齐）。
联合体：所有成员共享同一块内存空间，联合体的大小为最大成员的大小。

4.2 使用场景

结构体：适用于需要同时存储多个不同类型数据的场景，如学生信息、员工信息等。
联合体：适用于需要节省内存或在同一内存位置存储不同类型数据的场景，如网络协议、硬件寄存器等。

4.3 优缺点分析

结构体：
- 优点：可以同时存储多个不同类型的数据，使用灵活。
- 缺点：占用内存较多，尤其是在成员较多时。
联合体：
- 优点：节省内存，适用于需要共享内存的场景。
- 缺点：同一时间只能存储一个成员的值，使用受限。

5. 实际应用案例

5.1 结构体在文件操作中的应用

在文件操作中，结构体常用于存储文件头信息、记录数据等。例如，定义一个结构体来表示文件头信息：

struct FileHeader {
    char magicNumber[4];
    int version;
    long fileSize;
};

读取文件头信息时，可以使用结构体来存储数据：

FILE *file = fopen("example.bin", "rb");
if (file) {
    struct FileHeader header;
    fread(&header, sizeof(struct FileHeader), 1, file);
    fclose(file);
    printf("Magic Number: %.4s\n", header.magicNumber);
    printf("Version: %d\n", header.version);
    printf("File Size: %ld\n", header.fileSize);
}

5.2 联合体在网络协议中的应用

在网络协议中，联合体常用于表示不同类型的消息。例如，定义一个联合体来表示不同类型的网络数据包：

struct Packet {
    int type;
    union {
        struct {
            int x;
            int y;
        } position;
        struct {
            char message[100];
        } text;
    } data;
};

根据type字段的值，可以访问不同的联合体成员：

struct Packet packet;
packet.type = 1;
packet.data.position.x = 10;
packet.data.position.y = 20;

if (packet.type == 1) {
    printf("Position: (%d, %d)\n", packet.data.position.x, packet.data.position.y);
} else if (packet.type == 2) {
    printf("Message: %s\n", packet.data.text.message);
}