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結構體

鎖定
結構體是由一批數據組合而成的結構型數據。組成結構型數據的每個數據稱為結構型數據的“成員” [1]  ,其描述了一塊內存區間的大小及解釋意義 [4-6] 
中文名
結構體
外文名
struct [1] 
學    科
計算機 [1] 

結構體結構體變量

結構體是C語言中一種重要的數據類型,該數據類型由一組稱為成員(或稱為域,或稱為元素)的不同數據組成,其中每個成員可以具有不同的類型。結構體通常用來表示類型不同但是又相關的若干數據。 [2] 
結構體類型不是由系統定義好的,而是需要程序設計者自己定義的。C語言提供了關鍵字struct來標識所定義的結構體類型。 [2] 
關鍵字struct和結構體名組合成一種類型標識符,其地位如同通常的int、char等類型標識符,其用途就像 int 類型標識符標識整型變量一樣可以用來定義結構體變量。定義變量以後,該變量就可以像定義的其他變量一樣使用了;成員又稱為成員變量,它是結構體所包含的若干個基本的結構類型,必須用“{}”括起來,並且要以分號結束,每個成員應表明具體的數據類型。 [2] 

結構體C語言中的結構體

C語言中,結構體(struct)指的是一種數據結構,是C語言中聚合數據類型(aggregate data type)的一類。結構體可以被聲明為變量指針數組等,用以實現較複雜的數據結構。結構體同時也是一些元素的集合,這些元素稱為結構體的成員(member),且這些成員可以為不同的類型,成員一般用名字訪問。 [3] 

結構體定義與聲明

結構體的定義如下所示,struct為結構體關鍵字,tag為結構體的標誌,member-list為結構體成員列表,其必須列出其所有成員;variable-list為此結構體聲明的變量。 [3] 
 struct tag {
 member-list
 } variable-list ; 

在一般情況下,tag、member-list、variable-list這3部分至少要出現2個。以下為示例: [3] 
//此聲明聲明瞭擁有3個成員的結構體,分別為整型的a,字符型的b和雙精度的c
//同時又聲明瞭結構體變量s1
//這個結構體並沒有標明其標籤

struct {

    int a;

    char b;

    double c;

} s1;


//同上聲明瞭擁有3個成員的結構體,分別為整型的a,字符型的b和雙精度的c
//結構體的標籤被命名為SIMPLE,沒有聲明變量
struct SIMPLE{

    int a;

    char b;

    double c;

};

//用SIMPLE標籤的結構體,另外聲明瞭變量t1、t2、t3
struct SIMPLE t1, t2[20], *t3; 
//也可以用typedef創建新類型
typedef struct{
    int a;
    char b;
    double c; 
} Simple2;
//可以用Simple2作為類型聲明新的結構體變量
Simple2 u1, u2[20], *u3;

在上面的聲明中,第一個和第二聲明被編譯器當作兩個完全不同的類型,即使他們的成員列表是一樣的,如果令t3=&s1,則是非法的。 [3] 
結構體的成員可以包含其他結構體,也可以包含指向自己結構體類型的指針,而通常這種指針的應用是為了實現一些更高級的數據結構如鏈表和樹等。 [3] 
//此結構體的聲明包含了其他的結構體
struct COMPLEX{
    char string[100];
    struct SIMPLE a;
}; 
//此結構體的聲明包含了指向自己類型的指針
struct NODE{
    char string[100];
    struct NODE *next_node;
};

如果兩個結構體互相包含,則需要對其中一個結構體進行不完整聲明,如下所示: [3] 
struct B;    
//對結構體B進行不完整聲明 
//結構體A中包含指向結構體B的指針
struct A{
    struct B *partner;
    //other members;
}; 
//結構體B中包含指向結構體A的指針,在A聲明完後,B也隨之進行聲明
struct B{
    struct A *partner;
    //other members;
};

結構體結構體作用

結構體和其他類型基礎數據類型一樣,例如int類型、char類型,只不過結構體可以做成你想要的數據類型。以方便日後的使用。 [3] 
在實際項目中,結構體是大量存在的。研發人員常使用結構體來封裝一些屬性來組成新的類型。由於C語言內部程序比較簡單,研發人員通常使用結構體創造新的“屬性”,其目的是簡化運算。 [3] 
結構體在函數中的作用不是簡便,其最主要的作用就是封裝。封裝的好處就是可以再次利用。讓使用者不必關心這個是什麼,只要根據定義使用就可以了。 [3] 

結構體結構體的意義

結構體描述了一段內存的解釋意義。在內存中,數據的意義在於如何使用此段數據,如在內存中存有一個數據3,如果只把他當作正整數來使用,那麼其意義為正整數3,如果把內存中的3,當作2的3次方來使用,那麼3的意義則為指數3。而一個結構體則描述了一段內存中的數據的使用意義 [4]  [6]  ,如:
typedef struct test
{
    int a;
    char b;
    float c;
} test_struct;

int main()
{
    test_struct new_strcut;
    new_strcut.a = 1;
    new_strcut.b = 'b';
    new_strcut.c = 3.0;
    return 0;
}
上述代碼,在執行到test_struct new_strcut;這一行時,程序首先會在內存(棧)中要求一塊4 + 1 +4 = 9字節的內存,在內存中的數據,如上文所述,如果不使用是沒有意義的。所以需要人為對這段內存中的數據進行解釋,結構體即是對這段內存的使用意義描述,即:這塊內存的第0到3個字節作為int型數據使用,第4個字節的內存作為char型使用,第5到8個字節作為float使用 [4]  [5] 
圖示 圖示

結構體結構體的大小與內存對齊

結構體的大小不是結構體元素單純相加就行的,因為我們主流的計算機使用的都是32bit字長的CPU,對這類型的CPU取4個字節的數要比取一個字節要高效,也更方便。所以在結構體中每個成員的首地址都是4的整數倍的話,取數據元素時就會相對更高效,這就是內存對齊的由來。每個特定平台上的編譯器都有自己的默認“對齊係數”(也叫對齊模數)。程序員可以通過預編譯命令#pragma pack(n),n=1,2,4,8,16來改變這一系數,其中的n就是你要指定的“對齊係數”。 [3] 
規則:
1、數據成員對齊規則:結構(struct)(或聯合(union))的數據成員,第一個數據成員放在offset為0的地方,以後每個數據成員的對齊按照#pragma pack指定的數值和這個數據成員自身長度中,比較小的那個進行。 [3] 
2、結構(或聯合)的整體對齊規則:在數據成員完成各自對齊之後,結構(或聯合)本身也要進行對齊,對齊將按照#pragma pack指定的數值和結構(或聯合)最大數據成員長度中,比較小的那個進行。 [3] 
3、結合1、2可推斷:當#pragma pack的n值等於或超過所有數據成員長度的時候,這個n值的大小將不產生任何效果。 [3] 

結構體C++中的結構體

在C語言中,可以定義結構體類型,將多個相關的變量包裝成為一個整體使用。在結構體中的變量,可以是相同、部分相同,或完全不同的數據類型。在C語言中,結構體不能包含函數。在面向對象的程序設計中,對象具有狀態(屬性)和行為,狀態保存在成員變量中,行為通過成員方法(函數)來實現。C語言中的結構體只能描述一個對象的狀態,不能描述一個對象的行為。在C++中,考慮到C語言到C++語言過渡的連續性,對結構體進行了擴展,C++的結構體可以包含函數,這樣,C++的結構體也具有的功能,與class不同的是,結構體包含的函數默認為public,而不是private。 [3] 
C++控制枱輸出例子:
#include<cstdlib>
#include<iostream>
//定義結構體
struct point
{
//包含兩個變量成員
int x;
int y;
};
using namespace std;
int main(int argc,char * argv[])
{
point pt;//加上struct的結構體變量定義是C語言的特徵,而C++語言不需要這樣
pt.x=1;
pt.y=2;
cout<<pt.x<<endl<<pt.y<<endl;
return EXIT_SUCCESS;
}

結構體C++中的結構體與類的區別

類與結構體在C++中有三點區別。 [3] 
(1)class中默認的成員訪問權限是private的,而struct中則是public的。 [3] 
(2)從class繼承默認是private繼承,而從struct繼承默認是public繼承。 [3] 
(3)C++的結構體聲明不必有struct關鍵字,而C語言的結構體聲明必須帶有關鍵字(使用typedef別名定義除外)。 [3] 
參考資料
  • 1.    戴晟暉,祝明慧等.零開始學C語言:電子工業出版社,2011-02
  • 2.    徐志偉,陳曦,王永靜等.語言從初學到精通:電子工業出版社,2010-06
  • 3.    Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie .C程序設計語言:機械工業出版社,2004-01-01
  • 4.    王利濤.嵌入式C語言自我修養:電子工業出版社,2021年
  • 5.    艾倫克萊門茨.計算機組成原理:機械工業出版社,2012年
  • 6.    Alfred V.Aho.編譯原理:機械工業出版社,2012年