C 语言编程 — 高级数据类型 — 结构体与位域
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《程序编译流程与 GCC 编译器》
《C 语言编程 — 基本语法》
《C 语言编程 — 基本数据类型》
《C 语言编程 — 变量与常量》
《C 语言编程 — 运算符》
《C 语言编程 — 逻辑控制语句》
《C 语言编程 — 函数》
《C 语言编程 — 高级数据类型 — 指针》
《C 语言编程 — 高级数据类型 — 数组》
《C 语言编程 — 高级数据类型 — 字符串》
《C 语言编程 — 高级数据类型 — 枚举》
结构体
我们知道数组（Array）是一组具有相同数据类型的数据集合。而在实际的编程中，我们往往还需要一组具有不同数据类型的数据集合，例如：学生信息的登记表，其中包含类型为字符串的 “姓名”，为整数的 “学号” 以及 “年龄”，和为小数的 “”成绩。数组类型显然无法满足这一需求，此时可以使用结构体（Struct）来存放一组不同类型的数据。
C 语言中，像 int、float、char 等是由 C 语言本身提供的数据类型，不能再进行分拆，我们称之为基本数据类型。而结构体则是一种复杂数据类型（构造数据类型），它由程序员自己定义，由一系列具有相同或不同数据类型的变量组成。我们可以使用结构体表示更加复杂的数据类型。
注意：我们应该将结构体定义在所有需要用到它的函数的上方，枚举类型和基本数据类型的使用方法没有任何区别。
定义结构体
使用 struct 关键字声明一个结构体数据类型：
struct 结构体名 { 结构体所包含的变量成员
};
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使用 struct 关键字声明并定义一个结构体数据类型：
struct tag { member member member ...
} variable-list ;
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- tag 是结构体的标识（名字）。
- member 是几结构体的成员，为标准的变量定义语句，比如：
int i。 - variable-list 结构体变量，可以一次性指定一个或多个结构体变量。
e.g. 定义一个 book 结构体变量：
struct Books { char title[50]; char author[50]; char subject[100]; int book_id;
} book;
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注：声明 只在编译阶段有意义，使得编译器知道这样的一个 “名称”，让代码得以完成编译；而 定义 是为了创建一个实际的 “对象”，即分配具体的内存空间，在程序运行的期间有意义。我们经常会顺口溜的说：声明类型、定义变量，从而避免概念上的混淆。
可见，结构体就像一个 “模板”，定义出来的变量都具有相同的性质，可以使用结构体来实现 C++ 中的类和实例的继承机制。
结构体的定义具有多种方式，比较灵活。通常的，tag、member、variable-list 这 3 部分至少要出现 2 个：
- 直接定义：在声明结构体类型的同时定义结构体变量，如果后面不再需要定义其他新的结构体变量，那么我们可以在定义时不给出结构体类型名称。这种方式书写简单，但是因为没有结构体类型名称，所以后面就没法用该结构体类型定义新的变量。
struct { int a; char b; double c;
} s1;
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- 间接定义：先声明定义结构体类型，再另外的定义结构体变量。
// 声明
struct SIMPLE
{ int a; char b; double c;
};
// 定义
struct SIMPLE t1, t2[20], *t3;
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注意，在上述的两个示例中，第一个和第二声明被编译器当作两个完全不同的类型，即使他们的成员列表是一样的。
- 别名（无名）定义：我们可以同时使用关键字 struct 和 typedef 来声明一个结构体类型，并未其赋予一个 “别名”，后续使用该 “别名” 定义结构体变量时，就可以不重复的书写 struct 关键字了。
typedef struct
{ int a; char b; double c;
} Simple2;
// 现在可以用 Simple2 作为类型，声明新的结构体变量
Simple2 u1, u2[20], *u3;
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NOTE：在实际的编程中，我们经常会使用 *_s 后缀来命名一个结构体类型，而是用 *_t 后缀来命名一个结构体类型的别名（也称之为自定义一个私有的数据类型）。e.g.
typedef struct student_t {
char *name; int num; int age; char group; float score;
} student_s
student_s stu1;
sizeof(student_s)；
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结构体的成员可以是其他结构体，也可以包含指向自己结构体类型的指针，这种指针的应用通常是为了实现一些更高级的数据结构如链表和树等。
struct COMPLEX { char string[100]; struct SIMPLE a;
};
struct NODE { char string[100]; struct NODE *next_node;
};
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如果两个结构体互相包含，则需要对其中一个结构体进行声明，同时还要注意语句的顺序，否则会出现编译错误：
struct B;
struct A{ struct B *partner; //other members;
};
struct B { struct A *partner; //other members;
};
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初始化结构体变量
下述是初始化结构体变量的一种写法（整体赋值，仅限于定义结构体变量的时候）：
#include <stdio.h>
/**
* 声明 Books 结构体类型；
* 定义 book 结构体变量；
* 初始化 book 结构体变量；
*/
struct Books { char title[50]; char author[50]; char subject[100]; int id;
} book = {"is book", "fanguiju", "C", 123};
int main() { printf("Book's title: %s\nauthor: %s\nsubject: %s\nid: %d\n", book.title, book.author, book.subject, book.id); return 0;
}
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访问结构体成员
下述是初始化结构体变量的一种写法（分别赋值，在使用过程中只能对成员逐一赋值），并使用成员访问运算符 . 对结构体的成员进行访问：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* 声明 Books 结构体类型 */
struct Books { char title[50]; char author[50]; char subject[100]; int id;
};
int main() { /* 定义 book 结构体变量 */ struct Books book1; /* 初始化 book 结构体变量 */ strcpy(book1.title, "C Programming"); strcpy(book1.author, "Nuha Ali"); strcpy(book1.subject, "C Programming Tutorial"); book1.id = 123; /* 访问结构体成员 */ printf("Book's title: %s\nauthor: %s\nsubject: %s\nid: %d\n", book1.title, book1.author, book1.subject, book1.id); return 0;
}
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结构体的内存分布
理论上讲，结构体的各个成员在内存空间中是连续存储的，和数组非常类似，比如上面的结构体变量 stu1 的内存分布如下图所示，共占用 4 + 4 + 4 + 1 + 4 = 17 个字节。
但是在编译器的具体实现中，各个成员之间可能会存在缝隙，对于 stu1 的成员变量 group 和 score 之间就可能存在 3 个字节的空白填充。这样算来，stu1 其实占用了 17 + 3 = 20 个字节。
将结构体作为实参传入函数
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Books { char title[50]; char author[50]; char subject[100]; int id;
};
void printBook(struct Books book) { printf("Book's title: %s\nauthor: %s\nsubject: %s\nid: %d\n", book.title, book.author, book.subject, book.id);
}
int main() { struct Books book1; strcpy(book1.title, "C Programming"); strcpy(book1.author, "Nuha Ali"); strcpy(book1.subject, "C Programming Tutorial"); book1.id = 123; printBook(book1); return 0;
}
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指向结构体变量的指针
定义基类为结构体 Books 的指针类型变量：
struct Books *struct_pointer;
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现在，就可以在上述定义的指针变量中存储结构体变量的内存地址了：
struct_pointer = &book1;
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在使用指向该结构体变量的指针访问结构体成员时，必须使用 -> 运算符，如下所示：
struct_pointer->title;
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因为结构体指针变量 struct_pointer 本质是一个内存地址，跟结构体变量不同，不可以直接使用成员访问运算符 .，而是使用 -> 运算符。
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Books { char title[50]; char author[50]; char subject[100]; int id;
};
void printBook(struct Books *book) { printf("Book's title: %s\nauthor: %s\nsubject: %s\nid: %d\n", book->title, book->author, book->subject, book->id);
}
int main() { struct Books book1; strcpy(book1.title, "C Programming"); strcpy(book1.author, "Nuha Ali"); strcpy(book1.subject, "C Programming Tutorial"); book1.id = 123; printBook(&book1); return 0;
}
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位域
在某些场景中，需要存储的数据值并不需要占用一个完整的字节（Byte），而只需占几个或一个二进制位（Bit）。例如：存放一个开关量，只有 0 和 1 两种状态，使用到 1 位二进位即可。
为了节省存储空间，并使处理简便，C 语言又提供了一种数据结构 —— 位域。
所谓 “位域” 就是把一个字节中的二进位划分为几个不同的区域，并说明每个区域的位数以及标识（域名），允许在程序中按域名进行操作。这样就可以把几个不同的变量用同一个字节总的不同二进制位域来表示。
定义位域
位域的定义与结构体定义类型，本质是一种特殊的结构体：
struct 位域结构体名 { 类型说明符 [位域名]: 位域长度(Bit) ...
};
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e.g.
struct bs { int a:8; int b:2; int c:6;
} data;
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上例位域结构体变量 data 占用了 2 个字段（16 位）。
- 一个位域存储在同一个字节（单元）中，当一个字节所剩的空间不够存放另一位域时，则会从下一单元起存放该位域。也可以有意使某位域从下一单元开始：
struct bs { unsigned a:4; unsigned :4; /* 空域，填 0 表示不使用 */ unsigned b:4; /* 刻意从下一单元开始存放 */ unsigned c:4
}
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由于位域不允许跨字节，因此位域的长度不能大于一个字节的长度（8 Bit）。如果最大长度大于计算机的整数字长，一些编译器可能会允许域的内存重叠，另外一些编译器可能会把大于一个域的部分存储在下一个字中。视乎于编译器的实现，这也是 C 语言的特点之一。
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位域可以是无名位域，这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。如上例子中的空域。
使用位域结构体的成员
#include <stdio.h>
int main() { struct BS { unsigned a:1; unsigned b:3; unsigned c:4; }; struct BS bit; struct BS *pbit; bit.a = 1; /* 给位域赋整型值 1，数值没有超过位域 a 的 1bit */ bit.b = 7; /* 给位域赋整型值 7，数值没有超过位域 b 的 3bit */ bit.c = 15; /* 给位域赋整型值 15，数值没有超过位域 c 的 4bit */ printf("%d, %d, %d\n", bit.a, bit.b, bit.c); pbit = &bit; /* 把位域结构体变量 bit 的地址赋给位域结构体指针变量 pbit */ pbit->a = 0; /* 结构体变量访问结构体成员 */ pbit->b &= 3; /* 与赋值运算 */ pbit->c |= 1; /* 或赋值运算 */ printf("%d, %d, %d\n", pbit->a, pbit->b, pbit->c); return 0;
}
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运行：
$ ./main
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0, 3, 15
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文章来源: is-cloud.blog.csdn.net，作者：范桂飓，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。
原文链接：is-cloud.blog.csdn.net/article/details/105301902
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