第07章_结构体与共用体
本章专题脉络
1、结构体(struct)类型的基本使用
1.1 为什么需要结构体？
C 语言内置的数据类型，除了几种原始的基本数据类型，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，实际使用场景受限。
举例1：
现有一个需求，编写学生档案管理系统，这里需要描述一个学生的信息。该学生的信息包括学号、姓名、性别、年龄、家庭住址等，这些数据共同说明一个学生的总体情况。
显然，这些数据类型各不相同，无法使用数组进行统一管理。
举例2：
隔壁老王养了两只猫咪。一只名字叫小黄，今年2岁，橘色；另一只叫小黑，今年3岁，黑色。请编写一个程序，当用户输入小猫的名字时，就显示该猫的名字，年龄，颜色。如果用户输入的小猫名错误，则显示老王没有这只猫。
传统的解决方法
尝试1：单独定义多个变量存储，实现需求。但是，多个变量，不便于数据的管理。
尝试2：使用数组，它是一组具有相同类型的数据的集合。但在编程中，往往还需要一组类型不同的数据，例如猫的名字使用字符串、年龄是int，颜色是字符串，因为数据类型不同，不能用一个数组来存放。
尝试3：C语言提供了结构体。使用结构体，内部可以定义多个不同类型的变量作为其成员。
考研中见的最多的就是指针和结构体结合起来构造结点（如链表的结点、二叉树的结点等）。
1.2 结构体的理解
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，这种类型称为结构体（structure）类型。
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。
比如：
1.3 声明结构体
构建一个结构体类型的一般格式：
struct 结构体名{
数据类型1 成员名1; //分号结尾
数据类型2 成员名2;
……
数据类型n 成员名n;
}; //注意最后有一个分号举例：学生
struct Student{ // 定义结构体：学生
int id; //学号
char name[20]; //姓名
char gender; //性别
char address[50]; //家庭住址
}; 举例：猫
struct Cat{
char name[20]; //名字
int age; //年龄
char color[20]; //颜色
};举例：人类
struct Person{
char name[20]; //姓名
char gender; //性别
int age; //年龄
double weight; //体重
}; 举例：通讯录
struct Contacts{
char name[50]; //姓名
int year; //年
int month; //月
int day; //日
char email[100]; //电子邮箱
char phone_number[15]; //手机号
};举例：员工
struct Employee {
int id; //员工编号
char name[20]; //员工姓名
char gender; //员工性别
int age; //员工年龄
char address[30]; //员工住址
};1.4 声明结构体变量并调用成员
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。
声明结构体变量格式1：
struct 结构体类型名称 结构体变量名;注意，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。
举例：
struct Student stu1;调用结构体变量的成员：
结构体变量名.成员名 [= 常量或变量值]举例：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
struct Student stu1; //声明结构体变量
//调用结构体成员
stu1.id = 1001;
//stu1.name = "Tom"; //报错，不能直接通过赋值运算符来给字符数组赋值
strcpy(stu1.name, "Tony");
stu1.gender = 'M';
strcpy(stu1.address, "北京市海淀区五道口");
printf("id = %d,name = %s,gender = %c,address = %s\n",
stu1.id, stu1.name, stu1.gender, stu1.address);
return 0;
}说明：
1）先声明了一个 struct Student类型的变量 stu1，这时编译器就会为 stu1 分配内存，接着就可以为 stu1 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 id 属性要写成 stu1.id。
2）字符数组是一种特殊的数组，直接改掉字符数组名的地址会报错，因此不能直接通过赋值运算符来对它进行赋值。你可以使用字符串库函数strcpy()来进行字符串的复制操作。
声明结构体变量格式2：
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。此时，初始化的属性个数最好与结构体中成员个数相同，且成员的先后顺序一一对应。格式：
struct 结构体名 结构体变量={初始化数据};举例：
//声明结构体
struct Car {
char* name;
double price;
int speed;
};
//声明结构体变量
struct Car audi = {"audi A6L", 460000.99, 175};注意：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 。
struct Student {
int id;
char name[20];
char gender;
int score; //学生成绩
};
int main() {
struct Student stu = {1001, "songhk", 'M'};
printf("Name: %s\n", stu.name);
printf("Score: %d\n", stu.score);
return 0;
}声明结构体变量格式3：
方式2中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。此时，可以为每个值指定属性名。
格式：
struct 结构体名 结构体变量={.成员1=xxx,.成员2=yyy,...};举例：
struct Car audi = {.speed=175, .name="audi A6L"};同样，初始化的属性少于声明时的属性，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。
struct Car audi = {.speed=175, .name="audi A6L"};
audi.speed = 185; //将 speed 属性的值改成 185声明结构体变量格式4： 声明类型的同时定义变量
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。格式：
struct 结构体名 {
成员列表
} 变量名列表;举例：同时声明了数据类型 Circle 和该类型的变量 c1
struct Circle {
int id;
double radius;
} c1;举例：
struct Employee {
char name[20];
int age;
char gender;
char phone[11];
} emp1, emp2;声明结构体变量格式5： 不指定类型名而直接定义结构体类型变量
如果类型标识符（比如Student、Circle、Employee等）只用在声明时这一个地方，后面不再用到，那就可以将类型名省略。 该结构体称为匿名结构体。
格式：
struct {
成员列表;
} 变量名列表;举例：
struct {
char name[20];
int age;
char gender;
char phone[11];
} emp1, emp2;struct 声明了一个匿名数据类型，然后又声明了这个类型的两个变量emp1、emp2 。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。
举例：
struct {
char name[20];
int age;
char gender;
char phone[11];
} emp1 = {"Lucy", 23, 'F', "13012341234"},
emp2 = {"Tony", 25, 'M', "13367896789"};上例在声明变量 emp1 和 emp2 的同时，为它们赋值。
声明结构体变量格式6：使用 typedef 命令
使用 typedef 可以为 struct 结构指定一个别名，这样使用起来更简洁。
举例：
//声明结构体
typedef struct cell_phone {
int phone_no; //电话号码
double minutes_of_charge; //每分钟费用
} Phone;
//声明结构体变量
Phone p = {13012341234, 5};上例中， Phone 就是 struct cell_phone 的别名。声明结构体变量时，可以省略struct关键字。
这种情况下，C 语言允许省略 struct 命令后面的类型名。进一步改为：
//声明匿名结构体
typedef struct {
int phone_no;
double minutes_of_charge;
} Phone;
//声明结构体变量
Phone p = {13012341234, 5};进一步，在考研中，还会出现如下的声明方式：
typedef struct {
int phone_no;
double minutes_of_charge;
} Phone,*pPhone;这里多了个*pPhone，其实在定义一个结点指针p时，Phone *p; 等价于 pPhone p; ，前者的写法类似于int *a、char *b等更方便记忆，不必再加个pPhone p来增加记忆负担。所以在考研中我们不采用这种方法，统一删掉 *pPhone的写法。
说明：
1、在创建一个结构体变量后，需要给成员赋值。在没有给成员赋值的情况下调用，打印的值是垃圾数据，可能导致程序异常终止。
2、不同结构体变量的成员是独立的，互不影响，一个结构体变量的成员更改，不影响另外一个。
1.5 举例
练习：盒子案例
（1）编程创建一个Box结构体，在其中定义三个成员表示一个立方体的长、宽和高，长宽高可以通过控制台输入。
（2）定义一个函数获取立方体的体积（volume）。
（3）创建一个结构体，打印给定尺寸的立方体的体积。
#include <stdio.h>
// 1. 定义Box结构体
struct Box {
double length;
double width;
double height;
};
// 2. 获取立方体体积的函数
double getVolume(struct Box box) {
return box.length * box.width * box.height;
}
int main() {
// 3. 创建结构体实例
struct Box box;
printf("输入长度：");
scanf("%lf", &box.length);
printf("输入宽度：");
scanf("%lf", &box.width);
printf("输入高度：");
scanf("%lf", &box.height);
// 调用函数获取体积并打印
printf("体积为: %.2lf\n", getVolume(box));
return 0;
}1.6 小 结
区分三个概念：结构体、结构体变量、结构体变量的成员。
- 结构体是自定义的数据类型，表示的是一种数据类型。
- 结构体变量代表一个具体变量。类比：
int num1 ; // int 是数据类型, 而num1是一个具体的int变量
struct Car car1; // Car 是结构体数据类型，而car1是一个Car变量- Car 就像一个“汽车图纸”，生成出来的具体的一辆辆汽车，就类似于一个个的结构体变量。这些结构体变量都含有相同的成员，将结构体变量的成员比作“零件”，同一张图纸生产出来的零件的作用都是一样的。
2、进一步认识结构体
2.1 结构体嵌套
结构体的成员也是变量，那么成员可以是基本数据类型，也可以是数组、指针、结构体等类型 。如果结构体的成员是另一个结构体，这就构成了结构体嵌套。
举例1：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct Name {
char firstName[50];
char lastName[50];
};
struct Student {
int age;
struct Name name;
char gender;
} stu1;
int main(){
strcpy(stu1.name.firstName, "美美");
strcpy(stu1.name.lastName, "韩");
//stu1.age = 18;
//stu1.gender = 'F';
//或者
struct Name myname = {"美美","韩"};
stu1.name = myname;
//stu1.age = 18;
//stu1.gender = 'F';
return 0;
}举例2：
struct Date { //声明一个结构体类型 struct Date
int year; //年
int month; //月
int day; //日
};
struct Employee { //声明一个结构体类型 struct Employee
int id;
char name[20];
int age;
struct Date birthday; //成员birthday属于struct Date类型
};声明结构体变量并调用成员：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(){
struct Employee emp1;
emp1.id = 1001;
strcpy(emp1.name,"Tony");
emp1.age = 24;
emp1.birthday.year = 2001;
emp1.birthday.month = 3;
emp1.birthday.day = 12;
return 0;
}说明：如果成员本身又属一个结构体类型，则要用若干个点（ . ），一级一级地找到最低的一级的成员。比如，emp1.birthday.year。
赋值的时候还有多种写法：
#include <stdio.h>
int main() {
//方式1：
struct Employee emp1 = {1001, "Tony", 24, {1999, 10, 11}};
//方式2：
struct Date birthday = {2001, 5, 6};
struct Employee emp2 = {1002, "Tom", 22, birthday};
//方式3：
struct Employee emp3 = {
.id = 1003,
.age = 24,
.name = "Jerry",
.birthday = {2001, 3, 16}};
//方式4：
struct Employee emp4 = {
.id = 1003,
.age = 27,
.name = "Jerry",
.birthday.year = 1998,
.birthday.month = 8,
.birthday.day = 12};
return 0;
}举例3：自我嵌套
单链表结构的结点定义如下：
struct Node {
int data; //这里默认的是int型，如需其他类型可修改
struct Node* next; //指向Node型变量的指针
};
//等同于
typedef struct Node {
int data;
struct Node *next;
} LNode;二叉树结构的结点定义如下：
typedef struct BTNode {
int data; //这里默认的是int型，如需其他类型可修改
struct BTNode *lchild; //指向左孩子结点指针,在后续的二叉树章节中讲解
struct BTNode *rchild; //指向右孩子结点指针,在后续的二叉树章节中讲解
} BTNode;2.2 结构体占用空间
结构体占用的存储空间，不是各个属性存储空间的总和。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 类型存储空间的整数倍。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。
struct A{
char a;
int b;
} s;
int main() {
printf("%d\n", sizeof(s)); // 8
return 0;
}变量 s 的存储空间不是5个字节，而是占据8个字节。a 属性与 b 属性之间有3个字节的“空洞”。
2.3 结构体变量的赋值操作
同类型的结构体变量可以使用赋值运算符（ = ），赋值给另一个变量，比如
student1 = student2; //假设student1和student2已定义为同类型的结构体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。
也就是说，结构体变量的传递机制是值传递，而非地址传递。这一点跟数组的赋值不同，使用赋值运算符复制数组，不会复制数据，只是传递地址。
举例1：
struct Car {
double price;
char name[30];
} a = {.name = "Audi A6L", .price = 390000.99};
int main() {
struct Car b = a;
printf("%p\n", &a); //结构体a变量的地址 00007ff75a019020
printf("%p\n", &b); //结构体b变量的地址 000000a6201ffcd0
printf("%p\n", a.name); //结构体a变量的成员name的地址 00007ff719199028
printf("%p\n", b.name); //结构体b变量的成员name的地址 000000c2565ffd88
a.name[0] = 'B';
printf("%s\n", a.name); // Budi A6L
printf("%s\n", b.name); // Audi A6L
return 0;
}上例中，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 。
举例2：将结构体内的字符数组改为字符指针
上个例子有个前提，就是 struct 结构的属性必须定义成字符数组，才可以复制数据。如果属性定义成字符指针，结果就不一样了。
struct Car {
char *name;
double price;
} a = {"Audi A6L", 390000.99};
int main() {
struct Car b = a;
printf("%p\n", &a); //结构体a变量的地址 00007ff75a019020
printf("%p\n", &b); //结构体b变量的地址 000000a6201ffcd0
printf("%p\n", a.name); //结构体a变量的成员name的地址 00007ff7d778a000
printf("%p\n", b.name); //结构体b变量的成员name的地址 00007ff7d778a000
return 0;
}上例中， name 属性变成了一个字符指针，这时 a 赋值给 b ，此时的b变量仍然是新开辟的内存空间。但是，a 和 b的 name 成员保存的指针相同，也就是说两个属性共享同一个"Audi A6L"。
在C语言中，相同的字符串常量通常只会保存一份，即这些字符串常量共享相同的内存。当你声明多个指针变量并让它们指向相同的字符串常量时，它们实际上都指向相同的内存地址。字符串常量的共享，有助于减小程序的内存占用。
注意：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。
【武汉科技大学2019研】已知书籍结构体定义如下，则对结构体变量bk的正确赋值是（ ）。
struct BOOK { struct { int year, month, day; } publish; } bk;
A．bk.year＝1998； bk.month＝11； bk.day＝11；
B．publish.year＝1998； publish.month＝11； publish.day＝11；
C．year＝1998； month＝11； day＝11；
D．bk.publish.year＝1998； bk.publish.month＝11； bk.publish.day＝11；
【答案】D
【解析】变量bk是结构体BOOK的一个结构体变量，该变量含有一个成员变量publish，publish也是一个结构体变量，该结构变量含三个成员变量，分别是year、month、day，结构体变量中的成员变量不可直接访问，必须以结构体变量名.成员变量名形式访问，所以只能通过bk.publish.year形式访问到最内层的变量并为其赋值，答案选D。