引言
C语言提供了结构体和联合体两种聚合数据类型，使得程序员可以创建包括多个数据类型的复杂数据结构。结构体用于将不同类型的数据组合成一个单元，而联合体用于在同一存储空间中存储不同类型的数据。本篇文章将详细介绍C语言中的结构体和联合体，包括其定义、初始化、访问方法、内存对齐及使用场景。
一、结构体概述
结构体（struct）是一种用户自定义的数据类型，可以将不同类型的数据组合成一个整体。结构体是C语言中定义复杂数据类型的基本方法之一。
1. 结构体的定义与声明
结构体的定义关键字为struct，具体形式如下：
struct 结构体名称 {
数据类型 成员名;
数据类型 成员名;
//...
};
示例代码：
#include <stdio.h>
struct Person {
char name[50];
int age;
float height;
};
int main() {
struct Person person1;
return 0;
}
在上面的示例中，Person结构体包含name、age和height三个成员。
2. 结构体变量的初始化
结构体变量可以通过指定初始值进行初始化，也可以使用赋值操作进行逐个成员的初始化。
示例代码：
#include <stdio.h>
struct Person {
char name[50];
int age;
float height;
};
int main() {
// 通过列表初始化
struct Person person1 = {"John", 30, 1.75};
// 逐个初始化
struct Person person2;
person2.age = 25;
person2.height = 1.80;
printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", , person1.age, person1.height);
return 0;
}
3. 结构体成员的访问
结构体成员通过点运算符（.）或箭头运算符（->）进行访问。
示例代码：
#include <stdio.h>
struct Person {
char name[50];
int age;
float height;
};
int main() {
struct Person person = {"Alice", 28, 1.68};
struct Person *personPtr = &person;
// 通过点运算符访问
printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", , person.age, person.height);
// 通过箭头运算符访问
printf("Name: %s, Age: %d, Height: %.2f\n", personPtr->name, personPtr->age, personPtr->height);
return 0;
}
二、联合体概述
联合体（union）与结构体类似，但其所有成员共用相同的内存空间。联合体用于节省内存空间，可以在不同时间存储不同的数据类型。
1. 联合体的定义与声明
联合体的定义关键字为union，具体形式如下：
union 联合体名称 {
数据类型 成员名;
数据类型 成员名;
//...
};
示例代码：
#include <stdio.h>
union Data {
int i;
float f;
char str[20];
};
int main() {
union Data data;
return 0;
}
在上面的示例中，Data联合体包含整数i、浮点数f和字符数组str三个成员。
2. 联合体变量的初始化
联合体变量同样可以通过指定初始值进行初始化，也可以使用赋值操作进行逐个成员的初始化。
示例代码：
#include <stdio.h>
union Data {
int i;
float f;
char str[20];
};
int main() {
union Data data;
// 赋值第一个成员
data.i = 10;
printf("data.i = %d\n", data.i);
// 赋值第二个成员
data.f = 220.5;
printf("data.f = %.1f\n", data.f);
// 赋值第三个成员
strcpy(data.str, "C Programming");
printf("data.str = %s\n", data.str);
return 0;
}
3. 联合体成员的访问
联合体成员的访问也通过点运算符或箭头运算符进行。
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
union Data {
int i;
float f;
char str[20];
};
int main() {
union Data data;
// 赋值第一个成员
data.i = 10;
printf("data.i = %d\n", data.i);
// 赋值第二个成员
data.f = 220.5;
printf("data.f = %.1f\n", data.f);
// 赋值第三个成员
strcpy(data.str, "C Programming");
printf("data.str = %s\n", data.str);
return 0;
}
三、内存对齐与结构对齐
内存对齐是指数据在内存中的地址必须是某个特定的对齐倍数，以提高内存访问速度。C语言中的结构体会根据成员大小和顺序进行内存对齐。
1. 结构体对齐
示例代码：
#include <stdio.h>
struct Example {
char c;
int i;
};
int main() {
printf("Size of struct Example: %zu\n", sizeof(struct Example)); // 输出16（假设4字节对齐）
return 0;
}
上面的示例中，struct Example的大小可能超过其各成员大小之和，这是因为内存对齐。
2. 联合体对齐
联合体的内存对齐由其最大成员决定，所有成员共享同一内存地址。
示例代码：
#include <stdio.h>
union Example {
char c;
int i;
};
int main() {
printf("Size of union Example: %zu\n", sizeof(union Example)); // 输出最大成员大小（假设4字节）
return 0;
}
四、结构体和联合体的应用场景
1. 结构体
结构体用于组织和管理复杂的数据结构，常用于描述实体和事件，如学生信息、员工记录、日期和时间等。
示例代码：
#include <stdio.h>
struct Date {
int day;
int month;
int year;
};
int main() {
struct Date today = {15, 6, 2024};
printf("Today's date is: %d/%d/%d\n", today.day, today.month, today.year);
return 0;
}
2. 联合体
联合体用于节省内存空间，常用于需要在同一存储空间中存储不同类型数据的场景，如定义网络数据包、实现不同类型的存储数据等。
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
union NetworkPacket {
int header;
char data[20];
};
int main() {
union NetworkPacket packet;
packet.header = 0x1A2B3C4D;
printf("Header: %X\n", packet.header);
strcpy(packet.data, "Hello, World!");
printf("Data: %s\n", packet.data);
return 0;
}
总结
C语言的结构体和联合体提供了组织和管理复杂数据结构的有效手段。通过结构体，可以将不同类型的数据组合在一起，创建更为复杂和有意义的数据类型。而联合体则通过共享同一内存地址，提供了一种高效利用内存的方式。理解和掌握结构体与联合体，不仅能够编写模块化、可维护和高效的代码，还能在特定场景下显著优化程序的内存使用。这些知识是深入学习和应用C语言的基础，高效利用这些特性将有助于解决实际编程中的复杂问题。
