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深入理解 C 语言中的结构体 —— 原理与实践

时间:2024-09-15 10:52:00浏览次数:12  
标签:node struct int 实践 深入 student 原理 字节 结构

引言

在 C 语言中,结构体是一种非常强大的数据类型,用于组织不同类型的数据成员。通过结构体,我们可以创建复杂的数据结构,用于表示现实生活中的对象。本文将详细介绍 C 语言中结构体的基本概念、语法、使用方法以及一些高级主题,包括底层原理和具体应用。
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结构体基础知识

定义结构体

结构体通过关键字 struct 来定义。结构体中可以包含不同类型的成员变量,这些成员可以是基本类型(如 int, float 等)也可以是其他结构体类型。

struct student {
    char name[50]; // 学生姓名
    int age;       // 年龄
    float gpa;     // 平均成绩点数
};
使用结构体

定义结构体后,可以通过结构体变量来使用它。

struct student s1;
strcpy(s1.name, "Alice");
s1.age = 20;
s1.gpa = 3.5;
访问结构体成员

可以通过.操作符来访问结构体成员。

printf("Name: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n", s1.name, s1.age, s1.gpa);

结构体的高级用法

匿名结构体

匿名结构体没有名称,主要用于在定义变量的同时初始化结构体。

struct {
    char name[50]; // 学生姓名
    int age;       // 年龄
    float gpa;     // 平均成绩点数
} s2 = {"Bob", 22, 3.7};
结构体数组

可以创建结构体数组来存储多个结构体实例。

struct student students[3] = {
    {"Alice", 20, 3.5},
    {"Bob", 22, 3.7},
    {"Charlie", 21, 3.8}
};

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

可以定义指向结构体的指针,并通过指针来访问结构体成员。

struct student *ptr = &s1;
printf("Pointer to structure: Name: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n",
       ptr->name, ptr->age, ptr->gpa);
结构体与函数

可以将结构体作为参数传递给函数,也可以返回结构体。

struct student get_student_info() {
    struct student s;
    strcpy(s.name, "David");
    s.age = 23;
    s.gpa = 3.6;
    return s;
}

int main() {
    struct student s3 = get_student_info();
    printf("Returned structure: Name: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n",
           s3.name, s3.age, s3.gpa);
    return 0;
}

结构体的内存布局

字节对齐

为了提高性能,编译器会对结构体中的成员进行字节对齐。这意味着成员的地址通常是其类型大小的倍数。例如,int 类型在许多系统上是 4 字节,那么 int 成员的地址通常是 4 的倍数。

struct example {
    char c;      // 1 字节
    int i;       // 4 字节
    double d;    // 8 字节
};

在上面的例子中,char c 之后会有填充(padding),以便 int i 的地址是 4 的倍数。同样,int i 之后也会有填充,以便 double d 的地址是 8 的倍数。

结构体的大小

结构体的总大小等于所有成员的大小加上必要的填充。

struct example {
    char c;      // 1 字节
    int i;       // 4 字节
    double d;    // 8 字节
};

printf("Size of struct example: %zu\n", sizeof(struct example));
包含结构体的结构体

可以将一个结构体作为另一个结构体的成员。

struct person {
    char name[50]; // 姓名
    int age;       // 年龄
};

struct employee {
    struct person info; // 个人信息
    double salary;      // 工资
};

struct employee emp = {{"John Doe", 30}, 50000.0};

结构体与联合

联合

联合是一种特殊的数据类型,它允许多个成员共享同一段内存空间。这意味着联合的大小等于最大成员的大小。

union mixed {
    int i;        // 整数
    double d;     // 浮点数
    char str[20]; // 字符串
};

union mixed m;
m.i = 42;
m.d = 3.14;
strcpy(m.str, "Hello, union!");

printf("Integer: %d\n", m.i);
printf("Double: %.2f\n", m.d);
printf("String: %s\n", m.str);
结构体与联合的混合使用

可以在结构体中使用联合来节省内存。

struct complex {
    char name[50]; // 姓名
    union {
        int age;      // 年龄
        double salary;// 工资
    } u;
};

struct complex c = {{"Jane Smith"}, .u = {35}};
printf("Name: %s, Age: %d\n", c.name, c.u.age);

结构体与枚举

枚举类型

枚举是一种特殊的类型,用于定义一组命名的常量。

enum day {
    MONDAY,   // 星期一
    TUESDAY,  // 星期二
    WEDNESDAY, // 星期三
    THURSDAY, // 星期四
    FRIDAY,   // 星期五
    SATURDAY, // 星期六
    SUNDAY    // 星期天
};

struct week {
    enum day today; // 今天
    enum day tomorrow; // 明天
};

struct week w = {{MONDAY}, {TUESDAY}};
printf("Today: %d, Tomorrow: %d\n", w.today, w.tomorrow);

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结构体与位字段

位字段

位字段允许在结构体中定义具有特定位数的成员。这对于存储标志或控制位特别有用。

struct flags {
    unsigned int read_only : 1; // 只读标志
    unsigned int hidden : 1;    // 隐藏标志
    unsigned int executable : 1; // 可执行标志
    unsigned int reserved : 1;  // 保留位
    unsigned int unused : 28;   // 未使用的位
};

struct flags f = {1, 1, 1, 0, 0};
printf("Flags: read_only=%d, hidden=%d, executable=%d\n",
       f.read_only, f.hidden, f.executable);

结构体与动态分配

动态分配结构体

可以使用动态内存分配函数(如 malloccalloc)来分配结构体的内存。

struct student *dynamic_student = (struct student *)malloc(sizeof(struct student));

strcpy(dynamic_student->name, "Eva");
dynamic_student->age = 24;
dynamic_student->gpa = 3.9;

printf("Dynamic Student: Name: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n",
       dynamic_student->name, dynamic_student->age, dynamic_student->gpa);

free(dynamic_student);
动态分配结构体数组

还可以动态分配结构体数组的内存。

struct student *students = (struct student *)malloc(3 * sizeof(struct student));

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    students[i].age = i + 20;
    students[i].gpa = 3.0 + i * 0.5;
}

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

free(students);

结构体与文件操作

结构体的序列化与反序列化

可以使用标准 I/O 函数(如 fwritefread)来保存和恢复结构体的内容。

struct student s4 = {"Michael", 25, 3.8};

FILE *fp = fopen("students.bin", "wb");
if (fp == NULL) {
    perror("Error opening file");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

fwrite(&s4, sizeof(struct student), 1, fp);
fclose(fp);

// 读取结构体
FILE *fp2 = fopen("students.bin", "rb");
if (fp2 == NULL) {
    perror("Error opening file");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

struct student s5;
fread(&s5, sizeof(struct student), 1, fp2);
fclose(fp2);

printf("Loaded Student: Name: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n",
       s5.name, s5.age, s5.gpa);

结构体与内存布局详解

字节对齐的细节

字节对齐是为了提高数据访问效率而设计的。编译器通常会根据目标平台的对齐要求来自动插入填充字节。

struct example {
    char c;          // 1 字节
    short int s;     // 2 字节
    int i;           // 4 字节
    double d;        // 8 字节
};

printf("Size of struct example: %zu\n", sizeof(struct example));

在上述例子中,char c 后面可能会有一个填充字节,使 short int s 的地址成为 2 的倍数。接着,int i 之前可能会有两个填充字节,使其地址成为 4 的倍数。最后,double d 之前可能会有四个填充字节,使其地址成为 8 的倍数。因此,最终的结构体大小可能比成员总和大。

字节对齐的影响

字节对齐会影响结构体的内存使用效率。如果不需要严格的对齐要求,可以使用 #pragma pack 指令来控制对齐行为。

#pragma pack(push, 1)
struct packed_example {
    char c;          // 1 字节
    short int s;     // 2 字节
    int i;           // 4 字节
    double d;        // 8 字节
};
#pragma pack(pop)

printf("Size of struct packed_example: %zu\n", sizeof(struct packed_example));

在上面的例子中,使用了 #pragma pack 指令来禁用对齐填充,这样结构体的大小就等于成员的总和。

字节对齐的平台差异

不同平台上的对齐规则可能会有所不同。例如,在某些 32 位系统上,double 类型可能只需要 4 字节的对齐,而在 64 位系统上则需要 8 字节的对齐。编写跨平台代码时需要考虑这一点。


结构体与内存访问优化

数据访问模式

当结构体中的成员被频繁访问时,合理的布局可以减少缓存缺失,从而提高性能。

struct student {
    char name[50]; // 姓名
    int age;       // 年龄
    float gpa;     // 平均成绩点数
};

struct student students[100000]; // 存储大量学生信息

// 假设我们要查找所有年龄大于某个值的学生
int threshold = 25;
int count = 0;

for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    if (students[i].age > threshold) {
        count++;
    }
}

printf("Number of students older than %d: %d\n", threshold, count);
缓存友好布局

在上述例子中,如果访问模式是连续的,那么可以通过将最常访问的成员放在前面来优化缓存使用。

struct student {
    int age;       // 年龄
    char name[50]; // 姓名
    float gpa;     // 平均成绩点数
};

struct student students[100000]; // 存储大量学生信息

int threshold = 25;
int count = 0;

for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    if (students[i].age > threshold) {
        count++;
    }
}

printf("Number of students older than %d: %d\n", threshold, count);

结构体与内存对齐优化

对齐与性能

某些处理器架构对未对齐的内存访问有较高的性能开销。例如,如果在一个 64 位平台上访问一个未对齐的 64 位整数,处理器可能会需要两次内存访问才能读取完整数据。

struct misaligned {
    int i;         // 4 字节
    double d;      // 8 字节
};

struct aligned {
    double d;      // 8 字节
    int i;         // 4 字节
};

struct misaligned m;
struct aligned a;

// 假设我们要读取结构体中的双精度浮点数
double value_m = m.d;
double value_a = a.d;

// 在某些平台上,读取 `value_m` 可能会导致未对齐访问
对齐优化工具

现代编译器提供了多种工具和技术来帮助优化对齐。例如,GCC 提供了 __attribute__((aligned)) 属性来显式指定对齐要求。

struct aligned {
    double d __attribute__((aligned(8))); // 8 字节对齐
    int i;
};

struct aligned a;
double value_a = a.d;

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结构体与内存管理

动态结构体的生命周期

动态分配的结构体需要手动管理其生命周期。当不再需要结构体时,应该释放其占用的内存。

struct student *dynamic_student = (struct student *)malloc(sizeof(struct student));

strcpy(dynamic_student->name, "Eva");
dynamic_student->age = 24;
dynamic_student->gpa = 3.9;

// 使用完后释放内存
free(dynamic_student);
结构体数组的生命周期

动态分配的结构体数组也需要手动管理内存。

struct student *students = (struct student *)malloc(3 * sizeof(struct student));

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    students[i].age = i + 20;
    students[i].gpa = 3.0 + i * 0.5;
}

// 使用完后释放内存
free(students);
结构体与内存泄漏

如果不正确管理结构体的生命周期,可能会导致内存泄漏。务必确保释放所有动态分配的内存。

struct student *students = (struct student *)malloc(3 * sizeof(struct student));

// 忘记释放内存
// free(students);

结构体与复杂数据结构

结构体与链表

结构体可以用来实现链表这样的复杂数据结构。

struct node {
    int data; // 数据
    struct node *next; // 下一个节点
};

struct node *head = NULL;

void append(int data) {
    struct node *new_node = (struct node *)malloc(sizeof(struct node));
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;

    if (head == NULL) {
        head = new_node;
    } else {
        struct node *current = head;
        while (current->next != NULL) {
            current = current->next;
        }
        current->next = new_node;
    }
}

void print_list() {
    struct node *current = head;
    while (current != NULL) {
        printf("%d ", current->data);
        current = current->next;
    }
    printf("\n");
}

int main() {
    append(1);
    append(2);
    append(3);
    print_list();
    return 0;
}
结构体与树

结构体也可以用来实现树形结构。

struct tree_node {
    int data; // 数据
    struct tree_node *left; // 左子树
    struct tree_node *right; // 右子树
};

struct tree_node *root = NULL;

struct tree_node *create_node(int data) {
    struct tree_node *new_node = (struct tree_node *)malloc(sizeof(struct tree_node));
    new_node->data = data;
    new_node->left = NULL;
    new_node->right = NULL;
    return new_node;
}

void insert(int data) {
    if (root == NULL) {
        root = create_node(data);
    } else {
        struct tree_node *current = root;
        struct tree_node *parent = NULL;

        while (current != NULL) {
            parent = current;
            if (data < current->data) {
                current = current->left;
            } else {
                current = current->right;
            }
        }

        if (data < parent->data) {
            parent->left = create_node(data);
        } else {
            parent->right = create_node(data);
        }
    }
}

void print_tree_inorder(struct tree_node *node) {
    if (node != NULL) {
        print_tree_inorder(node->left);
        printf("%d ", node->data);
        print_tree_inorder(node->right);
    }
}

int main() {
    insert(5);
    insert(3);
    insert(7);
    insert(1);
    insert(4);
    insert(6);
    insert(8);

    print_tree_inorder(root);
    return 0;
}

总结

本文详细介绍了 C 语言中的结构体,包括基本用法、高级用法、内存布局、联合、枚举、位字段以及动态分配等内容。通过学习这些知识,您可以更加灵活地使用结构体来构建复杂的数据结构。

标签:node,struct,int,实践,深入,student,原理,字节,结构
From: https://blog.csdn.net/suifengme/article/details/141614195

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