结构体（Structures）

想象你有一张名片。姓名、电话、邮箱打包在一张卡片上。你不需要拿三张纸条——一张写名字，一张写电话，一张写邮箱——递出去时还得担心会不会少了一张。

// 单个变量只能装一个值
int age = 20;
// 数组只能装同一种类型
int scores[5];
// 但一个"学生"既有字符串、又有整数、还有浮点数！

结构体就是 C 语言给出的答案——它像一个文件袋，可以把不同类型的数据装在一起，贴上标签，统一管理。

开篇故事

想象你有一张名片。上面印着姓名、电话、邮箱，三个信息打包在一张卡片上。你不需要带着三张纸条——一张写名字，一张写电话，一张写邮箱——每次递出去的时候还得担心会不会少了一张。

结构体就是名片的作用。它把不同类型的变量捆成一个整体，贴好字段名，统一管理。

struct Student {
    char name[32];
    int32_t age;
    float score;
};
// 一个学生 = 一份完整档案，不是三个散落在各处的抽屉

没有结构体之前，管理 100 个学生要同时维护三个数组——删一个学生，三个数组都要改。稍不留神就错位。有了结构体之后，学生是一个「实体」。删除就是删一份，传递就是传一份，代码的意图变得清晰。

"结构体让代码从'一堆变量'变成'有意义的东西'。"

本章适合谁

• 已经了解 C 语言基本变量和数据类型
• 想学怎么把不同类型的数据（int、char[]、float）打包在一起
• 好奇 Python 的 class / dict 在 C 语言中等价是什么的人

你会学到什么

• 结构体的定义与声明语法（struct 关键字）
• 结构体初始化（顺序初始化、指定初始化 designated initializers）
• 成员访问运算符（. 和 ->）
• 嵌套结构体（struct 里面套 struct）
• 把结构体作为函数参数传递
• 函数返回结构体

前置要求

• 完成 变量 和 数据类型 章节
• 理解 函数 的基本概念

第一个例子

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

// 定义一个结构体类型
struct Student {
    char name[32];
    int32_t age;
    float score;
};

int main(void) {
    // 创建一个 Student 变量并初始化
    struct Student stu = {"张三", 20, 95.5f};
    
    // 访问成员
    printf("姓名: %s\n", stu.name);
    printf("年龄: %d\n", stu.age);
    printf("成绩: %.1f\n", stu.score);
    
    return 0;
}

输出：

姓名: 张三
年龄: 20
成绩: 95.5

分步解析

1. struct Student { ... }; — 定义了一个结构体类型，包含三个成员
2. struct Student stu = {...} — 创建一个结构体变量并初始化
3. stu.name — 通过 . 运算符访问成员

原理解析

C struct vs Python class / dict

作为从 Python 过来的程序员，我第一次看到 C 的 struct 时，忍不住把它和 Python 做比较：

C struct 的内存布局（紧凑、连续）:
[ name: 32 bytes | age: 4 bytes | padding: 4 bytes | score: 4 bytes ] = 44 bytes (aligned to 48)

Python dict 的内存布局（分散、有哈希开销）:
dict object → hash table → {key: value, key: value, ...}
每个键值对还有独立的 str object + int object

1. 结构体定义语法

// 方式 1: 先定义类型，再声明变量
struct Student {
    char name[32];
    int32_t age;
    float score;
};

struct Student stu1;  // 声明变量

// 方式 2: 定义类型的同时声明变量
struct Student {
    char name[32];
    int32_t age;
    float score;
} stu2;  // 紧跟定义

// 方式 3: 匿名结构体（较少用）
struct {
    char name[32];
    int32_t age;
} stu3;  // 无类型名，只能声明这一次

2. 结构体初始化

// 方式 1: 顺序初始化
struct Student stu1 = {"李四", 21, 88.0f};

// 方式 2: 指定初始化 (C99, 推荐!)
struct Student stu2 = {
    .name = "王五",
    .age = 22,
    .score = 92.5f
};
// ✅ 指定初始化的优势: 可以只初始化部分成员
//    未指定的成员自动初始化为 0 / NULL
struct Student stu3 = { .age = 20 };  // 其余 = { '\0', 0, 0.0f }

// 方式 3: 逐个成员赋值
struct Student stu4;
// ❌ stu4 = {"赵六", 19, 76.0f}; // 错误！只能在声明时这样做
stu4.age = 19;
stu4.score = 76.0f;
// 对于数组成员，需要用 strcpy 或 strncpy

3. 成员访问（. 运算符）

struct Student stu = {.name = "小明", .age = 20, .score = 90.0f};

// 使用 '.' 访问成员
printf("姓名: %s\n", stu.name);   // 直接访问
stu.age = 21;                      // 修改成员
stu.score = stu.score + 5.0f;      // 参与运算

关键点：. 左侧必须是结构体变量本身（不是指针）。

4. 嵌套结构体

struct Date {
    int32_t year;
    int32_t month;
    int32_t day;
};

struct Student {
    char name[32];
    struct Date birthday;  // 嵌套结构体
    float score;
};

struct Student stu = {
    .name = "小红",
    .birthday = {.year = 2003, .month = 5, .day = 18},
    .score = 96.0f
};

// 访问嵌套成员用多个 '.'
printf("生日: %d-%02d-%02d\n",
       stu.birthday.year,
       stu.birthday.month,
       stu.birthday.day);

内存布局：struct 在内存中

struct Student stu = {.name="张三", .age=20, .score=95.5};

内存地址（低 → 高）:
┌──────────────┐
│  name[0..31] │  32 bytes  (姓名: "张三\0..." )
├──────────────┤
│      age     │   4 bytes  (20)
├──────────────┤
│   (padding)  │   4 bytes  (对齐填充，编译器自动插入)
├──────────────┤
│    score     │   4 bytes  (95.5f)
└──────────────┘
  Total: 44 bytes (通常对齐到 48)

💡 关键：结构体中可能存在 padding（填充字节），这是 CPU 内存对齐要求导致的。具体见下一章《结构体字段与内存布局》。

常见错误

❌ 错误 1: 未初始化的成员

struct Student stu;  // 未初始化！

// ❌ 成员的值的未定义的（garbage value）
printf("分数: %f\n", stu.score);  // 输出随机数！

✅ 修正: 初始化全部或归零

// 方式 A: 全部归零
struct Student stu = {0};

// 方式 B: 指定初始化（更安全）
struct Student stu = {
    .name = "",
    .age = 0,
    .score = 0.0f
};

❌ 错误 2: 用 == 比较两个结构体

struct Student a = {.name = "小明", .age = 20};
struct Student b = {.name = "小明", .age = 20};

// ❌ 不能用 == 比较结构体！C 标准不支持
// if (a == b) { ... }  // 编译错误！

✅ 修正: 逐成员比较或使用 memcmp（注意 padding 可能影响结果）

if (a.age == b.age && strcmp(a.name, b.name) == 0) {
    // 手动逐个比较
}

❌ 错误 3: struct 关键字遗忘

Student stu;  // ❌ C 语言不行！必须写 struct Student

✅ 修正: C 语言中必须写 struct 前缀（或者用 typedef）

struct Student stu;  // ✅ 正确
// 或者
typedef struct Student Student;
Student stu2;        // ✅ 用 typedef 后不需要 struct

动手练习

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

struct Book {
    char title[64];
    char author[32];
    float price;
};

int main(void) {
    struct Book b = {.title = "C Primer Plus", .author = "Stephen Prata", .price = 89.0f};
    printf("书名: %s\n", b.title);
    printf("作者: %s\n", b.author);
    printf("价格: ¥%.2f\n", b.price);
    return 0;
}

书名: C Primer Plus
作者: Stephen Prata
价格: ¥89.00

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

struct Student {
    char name[32];
    float score;
};

int main(void) {
    struct Student class[3] = {
        {.name = "张三", .score = 85.0f},
        {.name = "李四", .score = 92.0f},
        {.name = "王五", .score = 78.0f},
    };
    
    float sum = 0.0f;
    int32_t n = (int32_t)(sizeof(class) / sizeof(class[0]));
    for (int32_t i = 0; i < n; i++) {
        sum += class[i].score;
        printf("%s: %.1f\n", class[i].name, class[i].score);
    }
    printf("平均分: %.1f\n", sum / n);
    return 0;
}

张三: 85.0
李四: 92.0
王五: 78.0
平均分: 85.0

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

struct Point {
    float x;
    float y;
};

struct Circle {
    struct Point center;
    float radius;
};

float circle_area(struct Circle c) {
    return 3.14159f * c.radius * c.radius;
}

struct Circle create_circle(float x, float y, float r) {
    struct Circle c;
    c.center.x = x;
    c.center.y = y;
    c.radius = r;
    return c;  // 函数返回 struct
}

int main(void) {
    struct Circle c1 = create_circle(0.0f, 0.0f, 5.0f);
    struct Circle c2 = create_circle(3.0f, 4.0f, 3.0f);
    
    printf("圆1 面积: %.2f\n", circle_area(c1));
    printf("圆2 面积: %.2f\n", circle_area(c2));
    printf("面积差:  %.2f\n", circle_area(c1) - circle_area(c2));
    return 0;
}

圆1 面积: 78.54
圆2 面积: 28.27
面积差:  50.27

故障排查

struct Point { int32_t x; int32_t y; };
struct Point p = {1, 2, 3};  // ❌ 3 个值但只有 2 个成员

struct Point p = {.x = 1, .y = 2};  // ✅ 清晰且安全

// ❌ 不行——无限递归大小
struct Node {
    struct Node next;  // 编译错误！sizeof 无法计算
};

// ✅ 可以——指针大小固定
struct Node {
    int32_t data;
    struct Node *next;  // 指针大小固定（8 bytes on 64-bit）
};

typedef struct Student {
    char name[32];
    int32_t age;
} Student;

Student s = {"小明", 20};  // ✅ 不需要写 struct

知识扩展

typedef 简化结构体

// 传统写法（每次都要写 struct）
struct Point p1;

// typedef 写法（省略 struct）
typedef struct Point {
    float x;
    float y;
} Point;

Point p2;  // 简洁！

union —— 共享内存的 "结构体"

与 struct 类似，但所有成员共享同一块内存，大小等于最大成员：

union Data {
    int32_t i;
    float f;
    char str[8];
};
// sizeof(union Data) = 8（最长的成员）

小结

这一章我发现：

• struct 把不同类型的数据打包成一个有意义的整体
• 初始化有顺序初始化、指定初始化（.member = value）两种
• . 运算符访问结构体成员
• 嵌套结构体可以组合更复杂的数据模型
• 函数可以接收结构体参数、也可以返回结构体
• C 的 struct 比 Python class 更轻量——没有方法、没有动态属性、没有额外开销

术语表

延伸阅读

• cppreference: Structures and unions
• Beej's Guide: Structures
• K&R《C 程序设计语言》第 6 章：Structures

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