结构体与联合体

在C语言中，基本数据类型（int、float、char等）只能表示单一的数据。然而，现实世界中的实体往往包含多个属性，比如一个学生有学号、姓名、成绩等。 结构体（struct） 允许我们将不同类型的数据组合成一个新的数据类型，方便组织和操作复杂数据。而联合体（union） 则是一种特殊的结构，它允许同一块内存存储不同类型的数据，但同一时刻只能存储其中一种。本章将详细介绍结构体和联合体的定义、使用以及它们的区别。

📦 结构体（struct）

结构体是一种用户自定义的数据类型，它可以将多个不同类型的数据项组合成一个整体。结构体的成员可以是基本类型、数组、指针，甚至其他结构体。

🔹 结构体的定义

struct 结构体名 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    // ...
};  // 注意分号

例如，定义一个学生结构体：

struct Student {
    int id;
    char name[50];
    float score;
};

🔹 结构体变量的声明与初始化

#include <stdio.h>

struct Student {
    int id;
    char name[50];
    float score;
};

int main() {
    // 方式1：先声明变量，再逐个赋值
    struct Student stu1;
    stu1.id = 1001;
    // stu1.name = "张三";  // 错误！数组不能直接赋值，需要使用strcpy
    strcpy(stu1.name, "张三");
    stu1.score = 88.5;

    // 方式2：声明时初始化（按成员顺序）
    struct Student stu2 = {1002, "李四", 92.0};

    // 方式3：指定成员初始化（C99）
    struct Student stu3 = {.id = 1003, .score = 78.5, .name = "王五"};

    return 0;
}

注意： 字符数组成员不能直接用字符串赋值，应使用 strcpy 函数（需包含 <string.h>）。

🔹 访问结构体成员

使用点运算符 . 访问结构体变量的成员。

printf("学号: %d\n", stu1.id);
printf("姓名: %s\n", stu1.name);
printf("成绩: %.1f\n", stu1.score);

📚 结构体数组

结构体数组可以存储多个相同类型的结构体对象，方便批量处理。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct Student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
};

int main() {
    struct Student class[3] = {
        {1001, "张三", 85.5},
        {1002, "李四", 92.0},
        {1003, "王五", 78.5}
    };

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("%d\t%s\t%.1f\n", class[i].id, class[i].name, class[i].score);
    }
    return 0;
}

📌 结构体指针

结构体指针指向结构体变量的地址，通过箭头运算符 -> 访问成员。

#include <stdio.h>

struct Point {
    int x;
    int y;
};

int main() {
    struct Point p1 = {10, 20};
    struct Point *ptr = &p1;

    // 使用指针访问成员
    printf("x = %d, y = %d\n", ptr->x, ptr->y);   // 等价于 (*ptr).x

    ptr->x = 30;
    printf("修改后 x = %d\n", p1.x);

    return 0;
}

🔗 嵌套结构体

结构体的成员可以是另一个结构体，实现更复杂的数据组织。

#include <stdio.h>

struct Date {
    int year;
    int month;
    int day;
};

struct Student {
    int id;
    char name[50];
    struct Date birthday;   // 嵌套结构体
    float score;
};

int main() {
    struct Student stu = {1001, "张三", {2000, 5, 20}, 88.5};

    printf("生日: %d年%d月%d日\n", stu.birthday.year, stu.birthday.month, stu.birthday.day);

    return 0;
}

📞 结构体作为函数参数

结构体可以作为函数参数传递，但通常有两种方式：传值（复制整个结构体）和传指针（传递地址）。传指针效率更高，且可以修改原结构体。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct Student {
    int id;
    char name[50];
    float score;
};

// 传值（复制结构体）
void printStudent(struct Student s) {
    printf("学号: %d, 姓名: %s, 成绩: %.1f\n", s.id, s.name, s.score);
}

// 传指针（可修改原结构体）
void updateScore(struct Student *s, float newScore) {
    s->score = newScore;   // 修改原结构体的成绩
}

int main() {
    struct Student stu = {1001, "张三", 85.0};

    printStudent(stu);
    updateScore(&stu, 95.0);
    printStudent(stu);

    return 0;
}

建议： 当结构体较大时，应尽量使用指针传递，避免复制开销。

🔀 联合体（union）

联合体是一种特殊的数据类型，它允许在相同的内存位置存储不同的数据类型。所有成员共享同一块内存，同一时刻只能使用其中一个成员。

🔹 联合体的定义与使用

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

int main() {
    union Data data;
    data.i = 10;
    printf("data.i = %d\n", data.i);

    data.f = 3.14;
    printf("data.f = %f\n", data.f);
    printf("data.i = %d（被覆盖）\n", data.i);   // 此时 i 的值已改变

    return 0;
}

注意： 联合体的大小等于其最大成员的大小。对某个成员赋值会覆盖其他成员的值。

🔹 联合体的应用场景

联合体常用于节省内存（如嵌入式系统）或实现变体类型（如数据包解析）。

#include <stdio.h>

// 用联合体存储不同类型的数据
union Value {
    int intVal;
    float floatVal;
    char charVal;
};

struct Variant {
    int type;   // 0:int, 1:float, 2:char
    union Value val;
};

void printVariant(struct Variant v) {
    switch (v.type) {
        case 0: printf("整数: %d\n", v.val.intVal); break;
        case 1: printf("浮点数: %f\n", v.val.floatVal); break;
        case 2: printf("字符: %c\n", v.val.charVal); break;
    }
}

int main() {
    struct Variant v1 = {0, {.intVal = 100}};
    struct Variant v2 = {1, {.floatVal = 3.14}};
    struct Variant v3 = {2, {.charVal = 'A'}};

    printVariant(v1);
    printVariant(v2);
    printVariant(v3);

    return 0;
}