走进C语言进阶（七）：探索结构体、位段和联合体

2023-04-30 18:35:58

深入探索 C 语言高级数据类型：结构体、位段和联合体

简介

在 C 语言的旅程中，我们已经踏足了数据类型的世界，从基本类型到数组和指针，我们的编程视野不断扩展。本篇文章将带你深入探索高级数据类型：结构体、位段和联合体，进一步提升你的编程技能。

结构体：数据聚合的利器

结构体是一种复合数据类型，它可以将不同类型的数据聚合在一起，形成一个整体。结构体中的每个成员都占据特定的内存空间，结构体的总大小等于所有成员大小之和。

例如，我们可以定义一个 student 结构体来存储学生信息：

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

该结构体包含三个成员：id、name 和 score。

位段：节省空间的位级组织

位段是一种特殊的结构体成员，它可以将多个位组织在一起。位段的存储空间是连续的，每个位段占据 1 位或多个位。位段的优点在于可以节省内存空间，缺点在于使用起来比较复杂。

例如，我们可以定义一个位段 flags 来存储学生的性别和年级：

struct student {
    ...
    unsigned int flags: 2; // 性别和年级各占 2 位
};

联合体：内存共享的数据存储

联合体是一种特殊的结构体，它允许我们在同一个内存空间中存储不同的数据类型。联合体中的每个成员都从同一个地址开始存储，这意味着联合体的总大小等于其最大的成员的大小。联合体的优点在于可以节省内存空间，缺点在于使用起来比较复杂。

例如，我们可以定义一个联合体 data 来存储不同类型的数据：

union data {
    int i;
    float f;
    char s[20];
};

内存对齐规则的影响

结构体、位段和联合体的内存布局受到内存对齐规则的影响。内存对齐规则规定了不同数据类型在内存中存储地址的规则。例如，int 类型的数据必须存储在 4 的倍数地址上，float 类型的数据必须存储在 8 的倍数地址上。

内存对齐规则的目的是提高处理器访问数据的效率，避免硬件错误。但是，它也可能导致结构体、位段和联合体的实际内存空间占用大于成员大小之和。

示例代码

下面是一个使用结构体、位段和联合体的示例代码：

#include <stdio.h>

struct student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
    unsigned int flags: 2;
};

union data {
    int i;
    float f;
    char s[20];
};

int main() {
    struct student student1 = {1, "John Doe", 85.5, 3};
    union data data1 = {10};

    printf("Student ID: %d\n", student1.id);
    printf("Student Name: %s\n", student1.name);
    printf("Student Score: %.2f\n", student1.score);
    printf("Student Flags: %d\n", student1.flags);

    printf("Union Data: %d\n", data1.i);

    return 0;
}