# struct 结构 ## 简介 C 语言内置的数据类型,除了最基本的几种原始类型,只有数组属于复合类型,可以同时包含多个值,但是只能包含相同类型的数据,实际使用中并不够用。 实际使用中,主要有下面两种情况,需要更灵活强大的复合类型。 - 复杂的物体需要使用多个变量描述,这些变量都是相关的,最好有某种机制将它们联系起来。 - 某些函数需要传入多个参数,如果一个个按照顺序传入,非常麻烦,最好能组合成一个复合结构传入。 为了解决这些问题,C 语言提供了`struct`关键字,允许自定义复合数据类型,将不同类型的值组合在一起。这样不仅为编程提供方便,也有利于增强代码的可读性。C 语言没有其他语言的对象(object)和类(class)的概念,struct 结构很大程度上提供了对象和类的功能。 下面是`struct`自定义数据类型的一个例子。 ```c struct fraction { int numerator; int denominator; }; ``` 上面示例定义了一个分数的数据类型`struct fraction`,包含两个属性`numerator`和`denominator`。 注意,作为一个自定义的数据类型,它的类型名要包括`struct`关键字,比如上例是`struct fraction`,单独的`fraction`没有任何意义,甚至脚本还可以另外定义名为`fraction`的变量,虽然这样很容易造成混淆。另外,`struct`语句结尾的分号不能省略,否则很容易产生错误。 定义了新的数据类型以后,就可以声明该类型的变量,这与声明其他类型变量的写法是一样的。 ```c struct fraction f1; f1.numerator = 22; f1.denominator = 7; ``` 上面示例中,先声明了一个`struct fraction`类型的变量`f1`,这时编译器就会为`f1`分配内存,接着就可以为`f1`的不同属性赋值。可以看到,struct 结构的属性通过点(`.`)来表示,比如`numerator`属性要写成`f1.numerator`。 再提醒一下,声明自定义类型的变量时,类型名前面,不要忘记加上`struct`关键字。也就是说,必须使用`struct fraction f1`声明变量,不能写成`fraction f1`。 除了逐一对属性赋值,也可以使用大括号,一次性对 struct 结构的所有属性赋值。 ```c struct car { char* name; float price; int speed; }; struct car saturn = {"Saturn SL/2", 16000.99, 175}; ``` 上面示例中,变量`saturn`是`struct car`类型,大括号里面同时对它的三个属性赋值。如果大括号里面的值的数量,少于属性的数量,那么缺失的属性自动初始化为`0`。 注意,大括号里面的值的顺序,必须与 struct 类型声明时属性的顺序一致。否则,必须为每个值指定属性名。 ```c struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"}; ``` 上面示例中,初始化的属性少于声明时的属性,这时剩下的那些属性都会初始化为`0`。 声明变量以后,可以修改某个属性的值。 ```c struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"}; saturn.speed = 168; ``` 上面示例将`speed`属性的值改成`168`。 struct 的数据类型声明语句与变量的声明语句,可以合并为一个语句。 ```c struct book { char title[500]; char author[100]; float value; } b1; ``` 上面的语句同时声明了数据类型`book`和该类型的变量`b1`。如果类型标识符`book`只用在这一个地方,后面不再用到,这里可以将类型名省略。 ```c struct { char title[500]; char author[100]; float value; } b1; ``` 上面示例中,`struct`声明了一个匿名数据类型,然后又声明了这个类型的变量`b1`。 与其他变量声明语句一样,可以在声明变量的同时,对变量赋值。 ```c struct { char title[500]; char author[100]; float value; } b1 = {"Harry Potter", "J. K. Rowling", 10.0}, b2 = {"Cancer Ward", "Aleksandr Solzhenitsyn", 7.85}; ``` 上面示例中,在声明变量`b1`和`b2`的同时,为它们赋值。 下一章介绍的`typedef`命令可以为 struct 结构指定一个别名,这样使用起来更简洁。 ```c typedef struct cell_phone { int cell_no; float minutes_of_charge; } phone; phone p = {5551234, 5}; ``` 上面示例中,`phone`就是`struct cell_phone`的别名。 指针变量也可以指向`struct`结构。 ```c struct book { char title[500]; char author[100]; float value; }* b1; // 或者写成两个语句 struct book { char title[500]; char author[100]; float value; }; struct book* b1; ``` 上面示例中,变量`b1`是一个指针,指向的数据是`struct book`类型的实例。 struct 结构也可以作为数组成员。 ```c struct fraction numbers[1000]; numbers[0].numerator = 22; numbers[0].denominator = 7; ``` 上面示例声明了一个有1000个成员的数组`numbers`,每个成员都是自定义类型`fraction`的实例。 struct 结构占用的存储空间,不是各个属性存储空间的总和,而是最大内存占用属性的存储空间的倍数,其他属性会添加空位与之对齐。这样可以提高读写效率。 ```c struct foo { int a; char* b; char c; }; printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 24 ``` 上面示例中,`struct foo`有三个属性,在64位计算机上占用的存储空间分别是:`int a`占4个字节,指针`char* b`占8个字节,`char c`占1个字节。它们加起来,一共是13个字节(4 + 8 + 1)。但是实际上,`struct foo`会占用24个字节,原因是它最大的内存占用属性是`char* b`的8个字节,导致其他属性的存储空间也是8个字节,这样才可以对齐,导致整个`struct foo`就是24个字节(8 * 3)。 多出来的存储空间,都采用空位填充,所以上面的`struct foo`真实的结构其实是下面这样。 ```c struct foo { int a; // 4 char pad1[4]; // 填充4字节 char *b; // 8 char c; // 1 char pad2[7]; // 填充7字节 }; printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 24 ``` 为什么浪费这么多空间进行内存对齐呢?这是为了加快读写速度,把内存占用划分成等长的区块,就可以快速在 Struct 结构体中定位到每个属性的起始地址。 由于这个特性,在有必要的情况下,定义 Struct 结构体时,可以采用存储空间递增的顺序,定义每个属性,这样就能节省一些空间。 ```c struct foo { char c; int a; char* b; }; printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 16 ``` 上面示例中,占用空间最小的`char c`排在第一位,其次是`int a`,占用空间最大的`char* b`排在最后。整个`strct foo`的内存占用就从24字节下降到16字节。 ## struct 的复制 struct 变量可以使用赋值运算符(`=`),复制给另一个变量,这时会生成一个全新的副本。系统会分配一块新的内存空间,大小与原来的变量相同,把每个属性都复制过去,即原样生成了一份数据。这一点跟数组的复制不一样,务必小心。 ```c struct cat { char name[30]; short age; } a, b; strcpy(a.name, "Hula"); a.age = 3; b = a; b.name[0] = 'M'; printf("%s\n", a.name); // Hula printf("%s\n", b.name); // Mula ``` 上面示例中,变量`b`是变量`a`的副本,两个变量的值是各自独立的,修改掉`b.name`不影响`a.name`。 上面这个示例是有前提的,就是 struct 结构的属性必须定义成字符数组,才能复制数据。如果稍作修改,属性定义成字符指针,结果就不一样。 ```c struct cat { char* name; short age; } a, b; a.name = "Hula"; a.age = 3; b = a; ``` 上面示例中,`name`属性变成了一个字符指针,这时`a`赋值给`b`,导致`b.name`也是同样的字符指针,指向同一个地址,也就是说两个属性共享同一个地址。因为这时,struct 结构内部保存的是一个指针,而不是上一个例子的数组,这时复制的就不是字符串本身,而是它的指针。并且,这个时候也没法修改字符串,因为字符指针指向的字符串是不能修改的。 总结一下,赋值运算符(`=`)可以将 struct 结构每个属性的值,一模一样复制一份,拷贝给另一个 struct 变量。这一点跟数组完全不同,使用赋值运算符复制数组,不会复制数据,只会共享地址。 注意,这种赋值要求两个变量是同一个类型,不同类型的 struct 变量无法互相赋值。 另外,C 语言没有提供比较两个自定义数据结构是否相等的方法,无法用比较运算符(比如`==`和`!=`)比较两个数据结构是否相等或不等。 ## struct 指针 如果将 struct 变量传入函数,函数内部得到的是一个原始值的副本。 ```c #include struct turtle { char* name; char* species; int age; }; void happy(struct turtle t) { t.age = t.age + 1; } int main() { struct turtle myTurtle = {"MyTurtle", "sea turtle", 99}; happy(myTurtle); printf("Age is %i\n", myTurtle.age); // 输出 99 return 0; } ``` 上面示例中,函数`happy()`传入的是一个 struct 变量`myTurtle`,函数内部有一个自增操作。但是,执行完`happy()`以后,函数外部的`age`属性值根本没变。原因就是函数内部得到的是 struct 变量的副本,改变副本影响不到函数外部的原始数据。 通常情况下,开发者希望传入函数的是同一份数据,函数内部修改数据以后,会反映在函数外部。而且,传入的是同一份数据,也有利于提高程序性能。这时就需要将 struct 变量的指针传入函数,通过指针来修改 struct 属性,就可以影响到函数外部。 struct 指针传入函数的写法如下。 ```c void happy(struct turtle* t) { } happy(&myTurtle); ``` 上面代码中,`t`是 struct 结构的指针,调用函数时传入的是指针。struct 类型跟数组不一样,类型标识符本身并不是指针,所以传入时,指针必须写成`&myTurtle`。 函数内部也必须使用`(*t).age`的写法,从指针拿到 struct 结构本身。 ```c void happy(struct turtle* t) { (*t).age = (*t).age + 1; } ``` 上面示例中,`(*t).age`不能写成`*t.age`,因为点运算符`.`的优先级高于`*`。`*t.age`这种写法会将`t.age`看成一个指针,然后取它对应的值,会出现无法预料的结果。 现在,重新编译执行上面的整个示例,`happy()`内部对 struct 结构的操作,就会反映到函数外部。 `(*t).age`这样的写法很麻烦。C 语言就引入了一个新的箭头运算符(`->`),可以从 struct 指针上直接获取属性,大大增强了代码的可读性。 ```c void happy(struct turtle* t) { t->age = t->age + 1; } ``` 总结一下,对于 struct 变量名,使用点运算符(`.`)获取属性;对于 struct 变量指针,使用箭头运算符(`->`)获取属性。以变量`myStruct`为例,假设`ptr`是它的指针,那么下面三种写法是同一回事。 ```c // ptr == &myStruct myStruct.prop == (*ptr).prop == ptr->prop ``` ## struct 的嵌套 struct 结构的成员可以是另一个 struct 结构。 ```c struct species { char* name; int kinds; }; struct fish { char* name; int age; struct species breed; }; ``` 上面示例中,`fish`的属性`breed`是另一个 struct 结构`species`。 赋值的时候有多种写法。 ```c // 写法一 struct fish shark = {"shark", 9, {"Selachimorpha", 500}}; // 写法二 struct species myBreed = {"Selachimorpha", 500}; struct fish shark = {"shark", 9, myBreed}; // 写法三 struct fish shark = { .name="shark", .age=9, .breed={"Selachimorpha", 500} }; // 写法四 struct fish shark = { .name="shark", .age=9, .breed.name="Selachimorpha", .breed.kinds=500 }; printf("Shark's species is %s", shark.breed.name); ``` 上面示例展示了嵌套 Struct 结构的四种赋值写法。另外,引用`breed`属性的内部属性,要使用两次点运算符(`shark.breed.name`)。 下面是另一个嵌套 struct 的例子。 ```c struct name { char first[50]; char last[50]; }; struct student { struct name name; short age; char sex; } student1; strcpy(student1.name.first, "Harry"); strcpy(student1.name.last, "Potter"); // or struct name myname = {"Harry", "Potter"}; student1.name = myname; ``` 上面示例中,自定义类型`student`的`name`属性是另一个自定义类型,如果要引用后者的属性,就必须使用两个`.`运算符,比如`student1.name.first`。另外,对字符数组属性赋值,要使用`strcpy()`函数,不能直接赋值,因为直接改掉字符数组名的地址会报错。 struct 结构内部不仅可以引用其他结构,还可以自我引用,即结构内部引用当前结构。比如,链表结构的节点就可以写成下面这样。 ```c struct node { int data; struct node* next; }; ``` 上面示例中,`node`结构的`next`属性,就是指向另一个`node`实例的指针。下面,使用这个结构自定义一个数据链表。 ```c struct node { int data; struct node* next; }; struct node* head; // 生成一个三个节点的列表 (11)->(22)->(33) head = malloc(sizeof(struct node)); head->data = 11; head->next = malloc(sizeof(struct node)); head->next->data = 22; head->next->next = malloc(sizeof(struct node)); head->next->next->data = 33; head->next->next->next = NULL; // 遍历这个列表 for (struct node *cur = head; cur != NULL; cur = cur->next) { printf("%d\n", cur->data); } ``` 上面示例是链表结构的最简单实现,通过`for`循环可以对其进行遍历。 ## 位字段 struct 还可以用来定义二进制位组成的数据结构,称为“位字段”(bit field),这对于操作底层的二进制数据非常有用。 ```c struct { unsigned int ab:1; unsigned int cd:1; unsigned int ef:1; unsigned int gh:1; } synth; synth.ab = 0; synth.cd = 1; ``` 上面示例中,每个属性后面的`:1`,表示指定这些属性只占用一个二进制位,所以这个数据结构一共是4个二进制位。 注意,定义二进制位时,结构内部的各个属性只能是整数类型。 实际存储的时候,C 语言会按照`int`类型占用的字节数,存储一个位字段结构。如果有剩余的二进制位,可以使用未命名属性,填满那些位。也可以使用宽度为0的属性,表示占满当前字节剩余的二进制位,迫使下一个属性存储在下一个字节。 ```c struct { unsigned int field1 : 1; unsigned int : 2; unsigned int field2 : 1; unsigned int : 0; unsigned int field3 : 1; } stuff; ``` 上面示例中,`stuff.field1`与`stuff.field2`之间,有一个宽度为两个二进制位的未命名属性。`stuff.field3`将存储在下一个字节。 ## 弹性数组成员 很多时候,不能事先确定数组到底有多少个成员。如果声明数组的时候,事先给出一个很大的成员数,就会很浪费空间。C 语言提供了一个解决方法,叫做弹性数组成员(flexible array member)。 如果不能事先确定数组成员的数量时,可以定义一个 struct 结构。 ```c struct vstring { int len; char chars[]; }; ``` 上面示例中,`struct vstring`结构有两个属性。`len`属性用来记录数组`chars`的长度,`chars`属性是一个数组,但是没有给出成员数量。 `chars`数组到底有多少个成员,可以在为`vstring`分配内存时确定。 ```c struct vstring* str = malloc(sizeof(struct vstring) + n * sizeof(char)); str->len = n; ``` 上面示例中,假定`chars`数组的成员数量是`n`,只有在运行时才能知道`n`到底是多少。然后,就为`struct vstring`分配它需要的内存:它本身占用的内存长度,再加上`n`个数组成员占用的内存长度。最后,`len`属性记录一下`n`是多少。 这样就可以让数组`chars`有`n`个成员,不用事先确定,可以跟运行时的需要保持一致。 弹性数组成员有一些专门的规则。首先,弹性成员的数组,必须是 struct 结构的最后一个属性。另外,除了弹性数组成员,struct 结构必须至少还有一个其他属性。