第九章：结构体与联合体

9.1 结构体

1. 什么是结构体

结构体（struct）是C语言中一种用户自定义的数据类型，它可以将不同类型的变量组合成一个单一的数据类型。结构体在组织复杂数据结构（如数据库记录、树节点等）时非常有用。

定义结构体：

struct 结构体名 {
    数据类型 成员名;
    数据类型 成员名;
    // 更多成员
};

示例：

#include <stdio.h>

// 定义一个表示学生信息的结构体
struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
};

int main() {
    struct Student student1; // 声明结构体变量

    // 访问结构体成员并赋值
    student1.age = 20;
    student1.gpa = 3.8;
    snprintf(student1.name, sizeof(student1.name), "John Doe");

    // 输出结构体成员
    printf("Name: %s\n", student1.name);
    printf("Age: %d\n", student1.age);
    printf("GPA: %.2f\n", student1.gpa);

    return 0;
}

2. 结构体数组

可以声明一个结构体数组来存储多个同类型的结构体变量。

示例：

#include <stdio.h>

struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
};

int main() {
    struct Student students[3]; // 结构体数组

    // 初始化结构体数组的元素
    snprintf(students[0].name, sizeof(students[0].name), "Alice");
    students[0].age = 20;
    students[0].gpa = 3.5;

    snprintf(students[1].name, sizeof(students[1].name), "Bob");
    students[1].age = 22;
    students[1].gpa = 3.8;

    snprintf(students[2].name, sizeof(students[2].name), "Charlie");
    students[2].age = 21;
    students[2].gpa = 3.9;

    // 输出结构体数组的元素
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("Student %d: %s, Age: %d, GPA: %.2f\n", i+1, students[i].name, students[i].age, students[i].gpa);
    }

    return 0;
}

3. 结构体指针

结构体指针用于指向结构体变量。使用->运算符访问结构体指针指向的结构体成员。

示例：

#include <stdio.h>

struct Student {
    char name[50];
    int age;
    float gpa;
};

int main() {
    struct Student student1 = {"John Doe", 20, 3.8};
    struct Student *ptr = &student1; // 结构体指针

    // 使用结构体指针访问成员
    printf("Name: %s\n", ptr->name);
    printf("Age: %d\n", ptr->age);
    printf("GPA: %.2f\n", ptr->gpa);

    return 0;
}

9.2 共用体（联合体）

1. 什么是联合体

联合体（union）是一种特殊的结构体，它的所有成员共享同一块内存。因此，在一个时间点上，联合体只能存储一个成员的值。联合体在需要节省内存的场景下非常有用。

定义联合体：

union 联合体名 {
    数据类型 成员名;
    数据类型 成员名;
    // 更多成员
};

示例：

#include <stdio.h>

union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

int main() {
    union Data data; // 声明联合体变量

    data.i = 10; // 设置整型成员
    printf("Data as integer: %d\n", data.i);

    data.f = 220.5; // 设置浮点型成员
    printf("Data as float: %.2f\n", data.f);

    snprintf(data.str, sizeof(data.str), "Hello");
    printf("Data as string: %s\n", data.str);

    // 注意：设置一个成员的值会覆盖其他成员的值，因为它们共享同一块内存

    return 0;
}

9.3 枚举类型

枚举类型（enum）是一种特殊的整型，它的值由标识符列表组成。枚举类型通常用于表示一组相关的常量，如星期几、月份等。

定义枚举类型：

enum 枚举名 {
    常量1,
    常量2,
    // 更多常量
};

示例：

#include <stdio.h>

enum Day {
    Monday,
    Tuesday,
    Wednesday,
    Thursday,
    Friday,
    Saturday,
    Sunday
};

int main() {
    enum Day today = Wednesday; // 使用枚举类型
    printf("Day of the week: %d\n", today); // 输出：2

    return 0;
}

9.4 结构体与联合体的比较

• 内存使用：

  • 结构体中的每个成员都有自己的内存空间，因此结构体的大小是所有成员大小的总和。
  • 联合体的所有成员共享同一块内存，联合体的大小是其最大成员的大小。

• 用法：

  • 结构体适用于需要同时存储多种不同类型数据的情况。
  • 联合体适用于在同一时间点只需要存储一个成员值的情况，可以节省内存。

9.5 结构体与联合体的嵌套

结构体和联合体可以嵌套使用，形成更复杂的数据结构。

示例：

#include <stdio.h>

// 嵌套结构体和联合体
struct Address {
    char street[50];
    int zipCode;
};

struct Person {
    char name[50];
    int age;
    struct Address address; // 嵌套结构体
};

int main() {
    struct Person person1;

    // 访问嵌套结构体成员
    snprintf(person1.name, sizeof(person1.name), "Alice");
    person1.age = 30;
    snprintf(person1.address.street, sizeof(person1.address.street), "123 Main St");
    person1.address.zipCode = 12345;

    printf("Name: %s\n", person1.name);
    printf("Age: %d\n", person1.age);
    printf("Address: %s, ZIP Code: %d\n", person1.address.street, person1.address.zipCode);

    return 0;
}

练习

1. 编写一个程序，定义一个结构体来存储学生的姓名、学号和成绩，创建一个学生数组并输出每个学生的信息。
2. 定义一个联合体，可以存储整数、浮点数和字符串，编写一个程序演示它的使用。
3. 编写一个程序，定义一个枚举类型表示一年中的月份，使用该枚举类型输出指定月份的名称。
4. 编写一个程序，使用嵌套结构体存储书籍信息（如书名、作者和出版社地址）并输出这些信息。

完成这些练习后，你将对结构体和联合体有深入的理解。