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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。因为为了计算效率,C 语言的内存占用空间一般来说,都必须是int
类型存储空间的倍数。如果int
类型的存储是4字节,那么 struct 类型的存储空间就总是4的倍数。
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上面示例中,如果按照属性占据的空间相加,变量s
的存储空间应该是5个字节。但是,struct 结构的存储空间是int
类型的倍数,所以最后的结果是占据8个字节,a
属性与b
属性之间有3个字节的“空洞”。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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struct 的嵌套
struct 结构的成员可以是另一个 struct 结构。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。