C语言结构体完全笔记

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本次分享一篇关于结构体的入门、提高的笔记，文章比较长，前面部分是结构体基础，已经掌握的童鞋可以跳过，直接看看后半部分的提高实例。

有的时候，我们所遇到的数据结构，不仅仅是一群数字或者是字符串那么简单。比如我们每一个人的学籍信息，学号是一个长整数，名字却是字符；甚至有更复杂的情况，这种问题在现实生活中并不少见。我们之前学过一种叫数组的数据结构，它可以允许我们把很多同类型的数据集中在一起处理。相对于之前，这已经是一次极大的进步。但是，新的问题，往往又会出现，这个时候，我们就得上更高端的装备——结构体。

相比于数组，结构体有以下的更强大的优势：

批量存储数据
存储不同类型的数据
支持嵌套

结构体的声明与定义

声明

结构体的声明使用struct关键字，如果我们想要把我们的学籍信息组织一下的话，可以这样表示：

struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    unsigned int year;//入学年份，用无符号整数表示    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示}

这样，我们就相当于描绘好了一个框架，以后要用的话直接定义一个这种类型的变量就好了。

定义

我们刚刚申请了一个名叫Info的结构体类型，那么理论上我们可以像声明其他变量的操作一样，去声明我们的结构体操作，但是C语言中规定，声明结构体变量的时候，struct关键字是不可少的。

struct 结构体类型名结构体变量名

不过，你可以在某个函数里面定义：

#include <stdio.h>struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    unsigned int year;//入学年份，用无符号整数表示    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示};int main(void){    /**     *在main函数中声明结构体变量     *结构体变量名叫info     *struct关键字不能丢     */    struct Info info;    ...}

也可以在声明的时候就把变量名定义下来（此时这个变量是全局变量）：

#include <stdio.h>struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    unsigned int year;//入学年份，用无符号整数表示    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示} info;/** *此时直接定义了变量 *该变量是全局变量 *变量名叫info */int main(void){    ...}

访问结构体成员

结构体成员的访问有点不同于以往的任何变量，它是采用点号运算符.来访问成员的。比如，info.name就是引用info结构体的name成员，是一个字符数组，而info.year则可以查到入学年份，是个无符号整型。

比如，下面开始录入学生的信息：

//Example 01#include <stdio.h>struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    unsigned int year;//入学年份，用无符号整数表示    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示};int main(void){    struct Info info;    printf("请输入学生的学号：");    scanf("%d", &info.identifier);    printf("请输入学生的姓名：");    scanf("%s", info.name);    printf("请输入学生的入学年份：");    scanf("%d", &info.year);    printf("请输入学生的学制：");    scanf("%d", &info.years);    printf("\n数据录入完毕\n\n");    printf("学号：%d\n姓名：%s\n入学年份：%d\n学制：%d\n毕业时间：%d\n", \        info.identifier, info.name, info.year, info.years, info.year + info.years);    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 01请输入学生的学号：20191101请输入学生的姓名：Harris请输入学生的入学年份：2019请输入学生的学制：4数据录入完毕学号：20191101姓名：Harris入学年份：2019学制：4毕业时间：2023

初始化结构体

像数组一样，结构体也可以在定义的时候初始化，方法也几乎一样：

struct Info info = {    20191101,    "Harris",    2019,    4};

在C99标准中，还支持给指定元素赋值（就像数组一样）：

struct Info info = {    .name = "Harris",    .year = 2019};

对于没有被初始化的成员，则「数值型」成员初始化为0，「字符型」成员初始化为‘\0’。

对齐

下面这个代码，大家来看看会发生什么：

//EXample 02 V1#include <stdio.h>int main(void){    struct A    {        char a;        int b;        char c;    } a = {'a', 10, 'o'};        printf("size of a = %d\n", sizeof(a));        return 0;}

我们之前学过，char类型的变量占1字节，int类型的变量占4字节，那么这么一算，一个结构体A型的变量应该就是6字节了。别急，我们看运行结果：

//COnsequence 02 V1size of a = 12

怎么变成12了呢？标准更新了？老师教错了？都不是。我们把代码改一下：

//EXample 02 V2#include <stdio.h>int main(void){    struct A    {        char a;        char c;        int b;    } a = {'a', 'o', 10};        printf("size of a = %d\n", sizeof(a));        return 0;}

结果：

//Consequence 02 V2size of a = 8

实际上，这是编译器对我们程序的一种优化——内存对齐。在第一个例子中，第一个和第三个成员是char类型是1个字节，而中间的int却有4个字节，为了对齐，两个char也占用了4个字节，于是就是12个字节。

而在第二个例子里面，前两个都是char，最后一个是int，那么前两个可以一起占用4个字节（实际只用2个，第一个例子也同理，只是为了访问速度更快，而不是为了扩展），最后的int占用4字节，合起来就是8个字节。

结构体嵌套

在学籍里面，如果我们的日期想要更加详细一些，精确到day，这时候就可以使用结构体嵌套来完成：

#include <stdio.h>struct Date{    unsigned int year;    unsigned int month;    unsigned int day;};struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    struct Date date;/*---入学日期，用结构体Date表示---*/    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示};int main(void){    ...}

如此一来，比我们单独声明普通变量快多了。

不过，这样访问变量，就必须用点号一层层往下访问。比如要访问day这个成员，那就只能info.date.day而不能直接info.date或者info,day。

//Example 03#include <stdio.h>struct Date{    unsigned int year;    unsigned int month;    unsigned int day;};struct Info{    unsigned long identifier;//学号，用无符号长整数表示    char name[20];//名字，用字符数组表示    struct Date date;/*---入学日期，用结构体Date表示---*/    unsigned int years;//学制，用无符号整数表示};int main(void){    struct Info info;    printf("请输入学生的学号：");    scanf("%d", &info.identifier);    printf("请输入学生的姓名：");    scanf("%s", info.name);    printf("请输入学生的入学年份：");    scanf("%d", &info.date.year);    printf("请输入学生的入学月份：");    scanf("%d", &info.date.month);    printf("请输入学生的入学日期：");    scanf("%d", &info.date.day);    printf("请输入学生的学制：");    scanf("%d", &info.years);    printf("\n数据录入完毕\n\n");    printf("学号：%d\n姓名：%s\n入学时间：%d/%d/%d\n学制：%d\n毕业时间：%d\n",\           info.identifier, info.name,\           info.date.year, info.date.month, info.date.day,\           info.years, info.date.year + info.years);    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 03请输入学生的学号：20191101请输入学生的姓名：Harris请输入学生的入学年份：2019请输入学生的入学月份：9请输入学生的入学日期：7请输入学生的学制：4数据录入完毕学号：20191101姓名：Harris入学时间：2019/9/7学制：4毕业时间：2023

结构体数组

刚刚我们演示了存储一个学生的学籍信息的时候，使用结构体的例子。那么，如果要录入一批学生，这时候我们就可以沿用之前的思路，使用结构体数组。

我们知道，数组的定义，就是存放一堆相同类型的数据的容器。而结构体一旦被我们声明，那么你就可以把它看作一个类型，只不过是你自己定义的罢了。

定义结构体数组也很简单：

struct 结构体类型{    成员;} 数组名[长度];/****或者这样****/struct 结构体类型{    成员;};struct 结构体类型 数组名[长度];

结构体指针

既然我们可以把结构体看作一个类型，那么也就必然有对应的指针变量。

struct Info* pinfo;

但是在指针这里，结构体和数组就不一样了。我们知道，数组名实际上就是指向这个数组第一个元素的地址，所以可以将数组名直接赋值给指针。而结构体的变量名并不是指向该结构体的地址，所以要使用取地址运算符&才能获取地址：

pinfo = &info;

通过结构体指针来访问结构体有以下两种方法：

(*结构体指针).成员名
结构体指针->成员名

第一个方法由于点号运算符比指针的取值运算符优先级更高，因此需要加一个小括号来确定优先级，让指针先解引用变成结构体变量，在使用点号的方法去访问。

相比之下，第二种方法就直观许多。

这两种方法在实现上是完全等价的，但是点号只能用于结构体变量，而箭头只能够用于指针。

第一种方法：

#include <stdio.h>...int main(void){    struct Info *p;    p = &info;        printf("学号：\n", (*p).identifier);    printf("姓名：\n", (*p).name);    printf("入学时间：%d/%d/%d\n", (*p).date.year, (*p).date.month, (*p).date.day);    printf("学制：\n", (*p).years);    return 0;}

第二种方法：

#include <stdio.h>...int main(void){    struct Info *p;    p = &info;        printf("学号：\n", p -> identifier);    printf("姓名：\n", p -> name);    printf("入学时间：%d/%d/%d\n", p -> date.year, p -> date.month, p -> date.day);    printf("学制：\n", p -> years);    return 0;}

传递结构体信息

传递结构体变量

我们先来看看下面的代码：

运行结果如下：

//Consequence 04t2.x = 3, t2.y = 4

这么看来，结构体是可以直接赋值的。那么既然这样，作为函数的参数和返回值也自然是没问题的了。

先来试试作为参数:

//Example 05#include <stdio.h>struct Date{    unsigned int year;    unsigned int month;    unsigned int day;};struct Info{    unsigned long identifier;    char name[20];    struct Date date;    unsigned int years;};struct Info getInput(struct Info info);void printInfo(struct Info info);struct Info getInput(struct Info info){    printf("请输入学号：");    scanf("%d", &info.identifier);    printf("请输入姓名：");    scanf("%s", info.name);    printf("请输入入学年份：");    scanf("%d", &info.date.year);    printf("请输入月份：");    scanf("%d", &info.date.month);    printf("请输入日期：");    scanf("%d", &info.date.day);    printf("请输入学制：");    scanf("%d", &info.years);    return info;}void printInfo(struct Info info){    printf("学号：%d\n姓名：%s\n入学时间：%d/%d/%d\n学制：%d\n毕业时间：%d\n", \        info.identifier, info.name, \        info.date.year, info.date.month, info.date.day, \        info.years, info.date.year + info.years);}int main(void){    struct Info i1 = {};    struct Info i2 = {};    printf("请录入第一个同学的信息...\n");    i1 = getInput(i1);    putchar('\n');    printf("请录入第二个学生的信息...\n");    i2 = getInput(i2);    printf("\n录入完毕，现在开始打印...\n\n");    printf("打印第一个学生的信息...\n");    printInfo(i1);    putchar('\n');    printf("打印第二个学生的信息...\n");    printInfo(i2);    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 05请录入第一个同学的信息...请输入学号：20191101请输入姓名：Harris请输入入学年份：2019请输入月份：9请输入日期：7请输入学制：4请录入第二个学生的信息...请输入学号：20191102请输入姓名：Joy请输入入学年份：2019请输入月份：9请输入日期：8请输入学制：5录入完毕，现在开始打印...打印第一个学生的信息...学号：20191101姓名：Harris入学时间：2019/9/7学制：4毕业时间：2023打印第二个学生的信息...学号：20191102姓名：Joy入学时间：2019/9/8学制：5毕业时间：2024

传递指向结构体变量的指针

早期的C语言是不允许直接将结构体作为参数直接传递进去的。主要是考虑到如果结构体的内存占用太大，那么整个程序的内存开销就会爆炸。不过现在的C语言已经放开了这方面的限制。

不过，作为一名合格的开发者，我们应该要去珍惜硬件资源。那么，传递指针就是一个很好的办法。

将刚才的代码修改一下：

//Example 06#include <stdio.h>struct Date{    unsigned int year;    unsigned int month;    unsigned int day;};struct Info{    unsigned long identifier;    char name[20];    struct Date date;    unsigned int years;};void getInput(struct Info *info);void printInfo(struct Info *info);void getInput(struct Info *info){    printf("请输入学号：");    scanf("%d", &info->identifier);    printf("请输入姓名：");    scanf("%s", info->name);    printf("请输入入学年份：");    scanf("%d", &info->date.year);    printf("请输入月份：");    scanf("%d", &info->date.month);    printf("请输入日期：");    scanf("%d", &info->date.day);    printf("请输入学制：");    scanf("%d", &info->years);}void printInfo(struct Info *info){    printf("学号：%d\n姓名：%s\n入学时间：%d/%d/%d\n学制：%d\n毕业时间：%d\n", \        info->identifier, info->name, \        info->date.year, info->date.month, info->date.day, \        info->years, info->date.year + info->years);}int main(void){    struct Info i1 = {};    struct Info i2 = {};    printf("请录入第一个同学的信息...\n");    getInput(&i1);    putchar('\n');    printf("请录入第二个学生的信息...\n");    getInput(&i2);    printf("\n录入完毕，现在开始打印...\n\n");    printf("打印第一个学生的信息...\n");    printInfo(&i1);    putchar('\n');    printf("打印第二个学生的信息...\n");    printInfo(&i2);    return 0;}

此时传递的就是一个指针，而不是一个庞大的结构体。

动态申请结构体

结构体也可以在堆里面动态申请：

//Example 01#include <stdio.h>...int main(void){    struct Info *i1;    struct Info *i2;        i1 = (struct Info *)malloc(sizeof(struct Info));    i2 = (struct Info *)malloc(sizeof(struct Info));    if (i1 == NULL || i2 == NULL)    {        printf("内存分配失败！\n");        exit(1);    }        printf("请录入第一个同学的信息...\n");    getInput(i1);    putchar('\n');    printf("请录入第二个学生的信息...\n");    getInput(i2);    printf("\n录入完毕，现在开始打印...\n\n");    printf("打印第一个学生的信息...\n");    printInfo(i1);    putchar('\n');    printf("打印第二个学生的信息...\n");    printInfo(i2);        free(i1);    free(i2);        return 0;}

实战：建立一个图书馆数据库

实际上，我们建立的数组可以是指向结构体指针的数组。

代码实现如下：

//Example 02#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define MAX_SIZE 100struct Date{    int year;    int month;    int day;};struct Book{    char title[128];    char author[48];    float price;    struct Date date;    char publisher[48];};void getInput(struct Book* book);//录入数据void printBook(struct Book* book);//打印数据void initLibrary(struct Book* lib[]);//初始化结构体void printLibrary(struct Book* lib[]);//打印单本书数据void releaseLibrary(struct Book* lib[]);//释放内存void getInput(struct Book* book){    printf("请输入书名：");    scanf("%s", book->title);    printf("请输入作者：");    scanf("%s", book->author);    printf("请输入售价：");    scanf("%f", &book->price);    printf("请输入出版日期：");    scanf("%d-%d-%d", &book->date.year, &book->date.month, &book->date.day);    printf("请输入出版社：");    scanf("%s", book->publisher);}void printBook(struct Book* book){    printf("书名：%s\n", book->title);    printf("作者：%s\n", book->author);    printf("售价：%.2f\n", book->price);    printf("出版日期：%d-%d-%d\n", book->date.year, book->date.month, book->date.day);    printf("出版社：%s\n", book->publisher);}void initLibrary(struct Book* lib[]){    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++)    {        lib[i] = NULL;    }}void printLibrary(struct Book* lib[]){    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++)    {        if (lib[i] != NULL)        {            printBook(lib[i]);            putchar('\n');        }    }}void releaseLibrary(struct Book* lib[]){    for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++)    {        if (lib[i] != NULL)        {            free(lib[i]);        }    }}int main(void){    struct Book* lib[MAX_SIZE];    struct Book* p = NULL;    int ch, index = 0;    initLibrary(lib);    while (1)    {        printf("请问是否要录入图书信息(Y/N):");        do        {            ch = getchar();        } while (ch != 'Y' && ch != 'N');        if (ch == 'Y')        {            if (index < MAX_SIZE)            {                p = (struct Book*)malloc(sizeof(struct Book));                getInput(p);                lib[index] = p;                index++;                putchar('\n');            }            else            {                printf("数据库已满！\n");                break;            }        }        else        {            break;        }    }    printf("\n数据录入完毕，开始打印验证...\n\n");    printLibrary(lib);    releaseLibrary(lib);    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 02请问是否要录入图书信息(Y/N):Y请输入书名：人类简史请输入作者：尤瓦尔·赫拉利请输入售价：32.25请输入出版日期：2016-3-4请输入出版社：中信出版集团请问是否要录入图书信息(Y/N):N数据录入完毕，开始打印验证...书名：人类简史作者：尤瓦尔·赫拉利售价：32.25出版日期：2016-3-4出版社：中信出版集团

单链表

我们知道，数组变量在内存中，是连续的，而且不可拓展。显然在一些情况下，这种数据结构拥有很大的局限性。比如移动数据的时候，会牵一发而动全身，尤其是反转这种操作更加令人窒息。那么，需要需要一种数据结构来弄出一种更加灵活的“数组”，那么这，就是「链表」。

本节我们只讲讲单链表。

所谓链表，就是由一个个「结点」组成的一个数据结构。每个结点都有「数据域」和「指针域」组成。其中数据域用来存储你想要存储的信息，而指针域用来存储下一个结点的地址。如图：

当然，链表最前面还有一个头指针，用来存储头结点的地址。

这样一来，链表中的每一个结点都可以不用挨个存放，因为有了指针把他们串起来。因此结点放在哪都无所谓，反正指针总是能够指向下一个元素。我们只需要知道头指针，就能够顺藤摸瓜地找到整个链表。

因此对于学籍数据库来说，我们只需要在Info结构体中加上一个指向自身类型的成员即可：

struct Info{    unsigned long identifier;    char name[20];    struct Date date;    unsigned int years;    struct Info* next;};

在单链表中插入元素

头插法

这种每次都将数据插入单链表的头部（头指针后面）的插入法就叫头插法。

如果要把学生信息加入到单链表，可以这么写：

void addInfo(struct Info** students)//students是头指针{    struct Info* info, *temp;    info = (struct Info*)malloc(sizeof(struct Info));    if (info == NULL)    {        printf("内存分配失败！\n");        exit(1);    }        getInput(info);        if (*students != NULL)    {        temp = *students;        *students = info;        info->next = temp;    }    else    {        *students = info;        info->next = NULL;    }}

❝

由于students存放的是头指针，因此我们需要传入它的地址传递给函数，才能够改变它本身的值。而students本身又是一个指向Info结构体的指针，所以参数的类型应该就是struct Info**。

❞

往单链表里面添加一个结点，也就是先申请一个结点，然后判断链表是否为空。如果为空，那么直接将头指针指向它，然后next成员指向NULL。若不为空，那么先将next指向头指针原本指向的结点，然后将头指针指向新结点即可。

那么，打印链表也变得很简单：

void printStu(struct Info* students){    struct Info* info;    int count = 1;        info = students;    while (book != NULL)    {        printf("Student%d:\n", count);        printf("姓名：%s\n", info->name);        printf("学号：%d\n", info->identifier);        info = info->next;        count++;    }}

想要读取单链表里面的数据，只需要迭代单链表中的每一个结点，直到next成员为NULL，即表示单链表的结束。

最后，当然还是别忘了释放空间：

void releaseStu(struct Info** students){    struct Info* temp;        while (*students != NULL)    {        temp = *students;        *students = (*students)->next;        free(temp);    }}

尾插法

与头插法类似，尾插法就是把每一个数据都插入到链表的末尾。

void addInfo(struct Info** students){    struct Info* info, *temp;    info = (struct Info*)malloc(sizeof(struct Info));    if (info == NULL)    {        printf("内存分配失败！\n");        exit(1);    }        getInput(info);        if (*students != NULL)    {        temp = *students;        *students = info;        //定位到链表的末尾的位置        while (temp->next != NULL)        {            temp = temp->next;        }        //插入数据        temp->next = info;        info->next = temp;    }    else    {        *students = info;        info->next = NULL;    }}

这么一来，程序执行的效率难免要降低很多，因为每次插入数据，都要先遍历一次链表。如果链表很长，那么对于插入数据来说就是一次灾难。不过，我们可以给程序添加一个指针，让它永远都指向链表的尾部，这样一来，就可以用很少的空间换取很高的程序执行效率。

代码更改如下：

void addInfo(struct Info** students){    struct Info* info, *temp;    static struct Info* tail;//设置静态指针    info = (struct Info*)malloc(sizeof(struct Info));    if (info == NULL)    {        printf("内存分配失败！\n");        exit(1);    }        getInput(info);        if (*students != NULL)    {        tail->next = info;        info->next = NULL;    }    else    {        *students = info;        info->next = NULL;    }}

搜索单链表

单链表是我们用来存储数据的一个容器，那么有时候需要快速查找信息就需要开发相关搜索的功能。比如说输入学号，查找同学的所有信息。

struct Info *searchInfo(struct Info* students, long* target){    struct Info* info;    info = students;    while (info != NULL)    {        if (info->identifier == target)        {            break;        }        info = info->next;    }        return book;};void printInfo(struct Info* info){    ...}...int main(void){    ...    printf("\n请输入学生学号：");    scanf("%d", input);    info = searchInfo(students, input);    if (info == NULL)    {        printf("抱歉，未找到相关结果！\n");    }    else    {        do        {            printf("相关结果如下：\n");            printInfo(book);        } while ((info = searchInfo(info->next, input)) != NULL);    }        releaseInfo(...);    return 0;}

插入结点到指定位置

到了这里，才体现出链表真正的优势。

设想一下，如果有一个有序数组，现在要求你去插入一个数字，插入完成之后，数组依然保持有序。你会怎么做？

没错，你应该会挨个去比较，然后找到合适的位置（当然这里也可以使用二分法，比较节省算力），把这个位置后面的所有数都往后移动一个位置，然后将我们要插入的数字放入刚刚我们腾出来的空间里面。

你会发现，这样的处理方法，经常需要移动大量的数据，对于程序的执行效率来说，是一个不利因素。那么链表，就无所谓。反正在内存中，链表的存储毫无逻辑，我们只需要改变指针的值就可以实现链表的中间插入。

//Example 03#include <stdio.h>#include <stdlib.h>struct Node{    int value;    struct Node* next;};void insNode(struct Node** head, int value){    struct Node* pre;    struct Node* cur;    struct Node* New;    cur = *head;    pre = NULL;    while (cur != NULL && cur->value < value)    {        pre = cur;        cur = cur->next;    }    New = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));    if (New == NULL)    {        printf("内存分配失败！\n");        exit(1);    }    New->value = value;    New->next = cur;    if (pre == NULL)    {        *head = New;    }    else    {        pre->next = New;    }}void printNode(struct Node* head){    struct Node* cur;    cur = head;    while (cur != NULL)    {        printf("%d ", cur->value);        cur = cur->next;    }    putchar('\n');}int main(void){    struct Node* head = NULL;    int input;    printf("开始插入整数...\n");    while (1)    {        printf("请输入一个整数，输入-1表示结束：");        scanf("%d", &input);        if (input == -1)        {            break;        }        insNode(&head, input);        printNode(head);    }    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 03开始插入整数...请输入一个整数，输入-1表示结束：44请输入一个整数，输入-1表示结束：54 5请输入一个整数，输入-1表示结束：33 4 5请输入一个整数，输入-1表示结束：63 4 5 6请输入一个整数，输入-1表示结束：22 3 4 5 6请输入一个整数，输入-1表示结束：52 3 4 5 5 6请输入一个整数，输入-1表示结束：11 2 3 4 5 5 6请输入一个整数，输入-1表示结束：71 2 3 4 5 5 6 7请输入一个整数，输入-1表示结束：-1

删除结点

删除结点的思路也差不多，首先修改待删除的结点的上一个结点的指针，将其指向待删除结点的下一个结点。然后释放待删除结点的空间。

...void delNode(struct Node** head, int value){    struct Node* pre;    struct Node* cur;        cur = *head;    pre = NULL;    while (cur != NULL && cur->value != value)    {        pre = cur;        cur = cur->next;    }    if (cur == NULL)    {        printf("未找到匹配项!\n");        return ;    }    else    {        if (pre == NULL)        {            *head = cur->next;        }        else        {            pre->next = cur->next;        }        free(cur);    }}

内存池

C语言的内存管理，从来都是一个让人头秃的问题。要想更自由地管理内存，就必须去堆中申请，然后还需要考虑何时释放，万一释放不当，或者没有及时释放，造成的后果都是难以估量的。

当然如果就这些，那倒也还不算什么。问题就在于，如果大量地使用malloc和free函数来申请内存，首先使要经历一个从应用层切入系统内核层，调用完成之后，再返回应用层的一系列步骤，实际上使非常浪费时间的。更重要的是，还会产生大量的内存碎片。比如，先申请了一个1KB的空间，紧接着又申请了一个8KB的空间。而后，这个1KB使用完了，被释放，但是这个空间却只有等到下一次有刚好1KB的空间申请，才能够被重新调用。这么一来，极限情况下，整个堆有可能被弄得支离破碎，最终导致大量内存浪费。

那么这种情况下，我们解决这类问题的思路，就是创建一个内存池。

内存池，实际上就是我们让程序创建出来的一块额外的缓存区域，如果有需要释放内存，先不必使用free函数，如果内存池有空，那么直接放入内存池。同样的道理，下一次程序申请空间的时候，先检查下内存池里面有没有合适的内存，如果有，则直接拿出来调用，如果没有，那么再使用malloc。

其实内存池我们就可以使用单链表来进行维护，下面通过一个通讯录的程序来说明内存池的运用。

普通的版本：

//Example 04 V1#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>struct Person{ char name[40]; char phone[20]; struct Person* next;};void getInput(struct Person* person);void printPerson(struct Person* person);void addPerson(struct Person** contects);void changePerson(struct Person* contacts);void delPerson(struct Person** contacts);struct Person* findPerson(struct Person* contacts);void displayContacts(struct Person* contacts);void releaseContacts(struct Person** contacts);void getInput(struct Person* person){ printf("请输入姓名："); scanf("%s", person->name); printf("请输入电话："); scanf("%s", person->phone);}void addPerson(struct Person** contacts){ struct Person* person; struct Person* temp; person = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person)); if (person == NULL) {  printf("内存分配失败！\n");  exit(1); } getInput(person); //将person添加到通讯录中 if (*contacts != NULL) {  temp = *contacts;  *contacts = person;  person->next = temp; } else {  *contacts = person;  person->next = NULL; }}void printPerson(struct Person* person){ printf("联系人：%s\n", person->name); printf("电话：%s\n", person->phone);}struct Person* findPerson(struct Person* contacts){ struct Person* current; char input[40]; printf("请输入 联系人："); scanf("%s", input); current = contacts; while (current != NULL && strcmp(current->name, input)) {  current = current->next; } return current;}void changePerson(struct Person* contacts){ struct Person* person; person = findPerson(contacts); if (person == NULL) {  printf("找不到联系人！\n"); } else {  printf("请输入 联系电话：");  scanf("%s", person->phone); }}void delPerson(struct Person** contacts){ struct Person* person; struct Person* current; struct Person* previous; //先找到待删除的节点的指针 person = findPerson(*contacts); if (person == NULL) {  printf("找不到该联系人！\n"); } else {  current = *contacts;  previous = NULL;  //将current定位到待删除的节点  while (current != NULL && current != person)  {   previous = current;   current = current->next;  }  if (previous == NULL)  {   //若待删除的是第一个节点   *contacts = current->next;  }  else  {   //若待删除的不是第一个节点   previous->next = current->next;  }  free(person);//将内存空间释放 }}void displayContacts(struct Person* contacts){ struct Person* current; current = contacts; while (current != NULL) {  printPerson(current);  current = current->next; }}void releaseContacts(struct Person** contacts){ struct Person* temp; while (*contacts != NULL) {  temp = *contacts;  *contacts = (*contacts)->next;  free(temp); }}int main(void){ int code; struct Person* contacts = NULL; struct Person* person; printf("| 欢迎使用通讯录管理程序 |\n"); printf("|--- 1:插入新的联系人 ---|\n"); printf("|--- 2:查找现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 3:更改现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 4:删除现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 5:显示当前通讯录 ---|\n"); printf("|--- 6:退出通讯录程序 ---|\n"); while (1) {  printf("\n请输入指令代码：");  scanf("%d", &code);  switch (code)  {  case 1:addPerson(&contacts); break;  case 2:person = findPerson(contacts);   if (person == NULL)   {    printf("找不到该联系人！\n");   }   else   {    printPerson(person);   }   break;  case 3:changePerson(contacts); break;  case 4:delPerson(&contacts); break;  case 5:displayContacts(contacts); break;  case 6:goto END;  } }END://此处直接跳出恒循环 releaseContacts(&contacts); return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 04 V1| 欢迎使用通讯录管理程序 ||--- 1:插入新的联系人 ---||--- 2:查找现有联系人 ---||--- 3:更改现有联系人 ---||--- 4:删除现有联系人 ---||--- 5:显示当前通讯录 ---||--- 6:退出通讯录程序 ---|请输入指令代码：1请输入姓名：HarrisWilde请输入电话：0101111请输入指令代码：1请输入姓名：Jack请输入电话：0101112请输入指令代码：1请输入姓名：Rose请输入电话：0101113请输入指令代码：2请输入 联系人：HarrisWilde联系人：HarrisWilde电话：0101111请输入指令代码：2请输入 联系人：Mike找不到该联系人！请输入指令代码：5联系人：Rose电话：0101113联系人：Jack电话：0101112联系人：HarrisWilde电话：0101111请输入指令代码：3请输入 联系人：HarrisWilde请输入 联系电话：0101234请输入指令代码：5联系人：Rose电话：0101113联系人：Jack电话：0101112联系人：HarrisWilde电话：0101234请输入指令代码：6

下面加入内存池：

//Example 04 V2#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#define MAX 1024struct Person{ char name[40]; char phone[20]; struct Person* next;};struct Person* pool = NULL;int count;void getInput(struct Person* person);void printPerson(struct Person* person);void addPerson(struct Person** contects);void changePerson(struct Person* contacts);void delPerson(struct Person** contacts);struct Person* findPerson(struct Person* contacts);void displayContacts(struct Person* contacts);void releaseContacts(struct Person** contacts);void releasePool(void);void getInput(struct Person* person){ printf("请输入姓名："); scanf("%s", person->name); printf("请输入电话："); scanf("%s", person->phone);}void addPerson(struct Person** contacts){ struct Person* person; struct Person* temp; //如果内存池不是空的，那么首先从里面获取空间 if (pool != NULL) {  person = pool;  pool = pool->next;  count--; } //内存池为空，则直接申请 else {  person = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));  if (person == NULL)  {   printf("内存分配失败！\n");   exit(1);  } } getInput(person); //将person添加到通讯录中 if (*contacts != NULL) {  temp = *contacts;  *contacts = person;  person->next = temp; } else {  *contacts = person;  person->next = NULL; }}void printPerson(struct Person* person){ printf("联系人：%s\n", person->name); printf("电话：%s\n", person->phone);}struct Person* findPerson(struct Person* contacts){ struct Person* current; char input[40]; printf("请输入 联系人："); scanf("%s", input); current = contacts; while (current != NULL && strcmp(current->name, input)) {  current = current->next; } return current;}void changePerson(struct Person* contacts){ struct Person* person; person = findPerson(contacts); if (person == NULL) {  printf("找不到联系人！\n"); } else {  printf("请输入 联系电话：");  scanf("%s", person->phone); }}void delPerson(struct Person** contacts){ struct Person* person; struct Person* current; struct Person* previous; struct Person* temp; { }; //先找到待删除的节点的指针 person = findPerson(*contacts); if (person == NULL) {  printf("找不到该联系人！\n"); } else {  current = *contacts;  previous = NULL;  //将current定位到待删除的节点  while (current != NULL && current != person)  {   previous = current;   current = current->next;  }  if (previous == NULL)  {   //若待删除的是第一个节点   *contacts = current->next;  }  else  {   //若待删除的不是第一个节点   previous->next = current->next;  }  //判断内存池中有没有空位  if (count < MAX)  {   //使用头插法将person指向的空间插入内存池中   if (pool != NULL)   {    temp = pool;    pool = person;    person->next = temp;   }   else   {    pool = person;    person->next = NULL;   }   count++;  }  //没有空位，直接释放  else  {   free(person);//将内存空间释放  } }}void displayContacts(struct Person* contacts){ struct Person* current; current = contacts; while (current != NULL) {  printPerson(current);  current = current->next; }}void releaseContacts(struct Person** contacts){ struct Person* temp; while (*contacts != NULL) {  temp = *contacts;  *contacts = (*contacts)->next;  free(temp); }}void releasePool(void){ struct Person* temp; while (pool != NULL) {  temp = pool;  pool = pool->next;  free(temp); }}int main(void){ int code; struct Person* contacts = NULL; struct Person* person; printf("| 欢迎使用通讯录管理程序 |\n"); printf("|--- 1:插入新的联系人 ---|\n"); printf("|--- 2:查找现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 3:更改现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 4:删除现有联系人 ---|\n"); printf("|--- 5:显示当前通讯录 ---|\n"); printf("|--- 6:退出通讯录程序 ---|\n"); while (1) {  printf("\n请输入指令代码：");  scanf("%d", &code);  switch (code)  {  case 1:addPerson(&contacts); break;  case 2:person = findPerson(contacts);   if (person == NULL)   {    printf("找不到该联系人！\n");   }   else   {    printPerson(person);   }   break;  case 3:changePerson(contacts); break;  case 4:delPerson(&contacts); break;  case 5:displayContacts(contacts); break;  case 6:goto END;  } }END://此处直接跳出恒循环 releaseContacts(&contacts); releasePool(); return 0;}

typedef

给数据类型起别名

C语言是一门古老的语言，它是在1969至1973年间，由两位天才丹尼斯·里奇和肯·汤普逊在贝尔实验室以B语言为基础开发出来的，用于他们的重写UNIX计划（这也为后来UNIX系统的可移植性打下了基础，之前的UNIX是使用汇编语言编写的，当然也是这两位为了玩一个自己设计的游戏而编写的）。天才就是和咱常人不一样，不过他俩的故事，在这篇里面不多啰嗦，我们回到话题。

虽然C语言诞生的很早，但是却依旧不是最早的高级编程语言。目前公认的最早的高级编程语言，是IBM公司于1957年开发的FORTRAN语言。C语言诞生之时，FORTRAN已经统领行业数十年之久。因此，C语言要想快速吸纳FORTRAN中的潜在用户，就必须做出一些妥协。

我们知道，不同的语言的语法，一般来说是不同的，甚至还有较大的差距。比如：

int a, b, c;float i, j, k;

而FORTRAN语言是这样的：

integer :: a, b, c;real :: i, j, k;

如果让FORTRAN用户使用原来的变量名称进行使用，那么就能够快速迁移到C语言上面来，这就是typedef的用处之一。

我们使用FORTRAN语言的类型名，那就这么办：

typedef int integer;typedef float real;integer a, b, c;real i, j, k;

结构体的搭档

虽然结构体的出现能够让我们有一个更科学的数据结构来管理数据，但是每次使用结构体都需要struct...，未免显得有些冗长和麻烦。有了typedef的助攻，我们就可以很轻松地给结构体类型起一个容易理解的名字：

typedef struct date{    int year;    int month;    int day;} DATE;//为了区分，一般用全大写int main(void){    DATE* date;    ...}

甚至还可以顺便给它的指针也定义一个别名：

typedef struct date{    int year;    int month;    int day;} DATE, *PDATE;

进阶

我们还可以利用typedef来简化一些比较复杂的命令。

比如：

int (*ptr) [5];

我们知道这是一个数组指针，指向一个5元素的数组。那么我们可以改写成这样：

typedef int(*PTR_TO_ARRAY)[3];

这样就可以把很复杂的声明变得很简单：

PTR_TO_ARRAY a = &array;

取名的时候要尽量使用容易理解的名字，这样才能达到使用typedef的最终目的。

共用体

共用体也称联合体。

声明

和结构体还是有点像：

union 共用体名称{    成员1;    成员2;    成员3;};

但是两者有本质的不同。共用体的每一个成员共用一段内存，那么这也就意味着它们不可能同时被正确地访问。如：

//Example 05#include <stdio.h>#include <string.h>union Test{ int i; double pi; char str[9];};int main(void){ union Test test; test.i = 10; test.pi = 3.14; strcpy(test.str, "TechZone"); printf("test.i: %d\n", test.i); printf("test.pi: %.2f\n", test.pi); printf("test.str: %s\n", test.str); return 0;}

执行结果如下：

//Consequence 05test.i: 1751344468test.pi: 3946574856045802736197446431383475413237648487838717723111623714247921409395495328582015991082102150186282825269379326297769425957893182570875995348588904500564659454087397032067072.00test.str: TechZone

可以看到，共用体只能正确地展示出最后一次被赋值的成员。共用体的内存应该要能够满足最大的成员能够正常存储。但是并不一定等于最大的成员的尺寸，因为还要考虑内存对齐的问题。

共用体可以类似结构体一样来定义和声明，但是共用体还可以允许不带名字：

union{ int i; char ch; float f;} a, b;

初始化

共用体不能在同一时间存放多个成员，所以不能批量初始化

union data{    int i;    char ch;    float f;};union data a = {520};        //初始化第一个成员union data b = a;            //直接使用一个共用体初始化另一个共用体union data c = {.ch = 'C'};  //C99的特性，指定初始化成员

枚举

枚举是一个基本的数据类型，它可以让数据更简洁。

如果写一个判断星期的文章，我们当然可以使用宏定义来使代码更加易懂，不过：

#define MON 1#define TUE 2#define WED 3#define THU 4#define FRI 5#define SAT 6#define SUN 7

这样的写法有点费键盘。那么枚举就简单多了：

enum DAY{      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN};

❝

**注意：**第一个枚举成员的默认值为整型的 0，后续枚举成员的值在前一个成员上加 1。我们在这个实例中把第一个枚举成员的值定义为 1，第二个就为 2，以此类推。

❞

枚举变量的定义和声明方法和共用体一样，也可以省略枚举名，直接声明变量名。

//Example 06#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(){    enum color { red = 1, green, blue };    enum  color favorite_color;    printf("请输入你喜欢的颜色: (1. red, 2. green, 3. blue): ");    scanf("%d", &favorite_color);    //输出结果    switch (favorite_color)    {    case red:        printf("你喜欢的颜色是红色");        break;    case green:        printf("你喜欢的颜色是绿色");        break;    case blue:        printf("你喜欢的颜色是蓝色");        break;    default:        printf("你没有选择你喜欢的颜色");    }    return 0;}

执行结果如下：

//Consequence 06请输入你喜欢的颜色: (1. red, 2. green, 3. blue): 3你喜欢的颜色是蓝色

也可以把整数转换为枚举类型：

//Example 07#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(){    enum day    {        saturday,        sunday,        monday,        tuesday,        wednesday,        thursday,        friday    } workday;    int a = 1;    enum day weekend;    weekend = (enum day) a;  //使用强制类型转换    //weekend = a; //错误    printf("weekend:%d", weekend);    return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 07weekend:1

位域

C语言除了开发桌面应用等，还有一个很重要的领域，那就是「单片机」开发。单片机上的硬件资源十分有限，容不得我们去肆意挥洒。单片机使一种集成电路芯片，使采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、RAM、ROM、I/O、中断系统、定时器/计数器等功能（有的还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工控领域使用广泛。

对于这样的设备，通常内存只有256B，那么能够给我们利用的资源就十分珍贵了。在这种情况下，如果我们只需要定义一个变量来存放布尔值，一般就申请一个整型变量，通过1和0来间接存储。但是，显然1和0只用1个bit就能够放完，而一个整型却是4个字节，也就是32bit。这就造成了内存的浪费。

好在，C语言为我们提供了一种数据结构，称为「位域」（也叫位端、位字段）。也就是把一个字节中的二进制位划分，并且你能够指定每个区域的位数。每个域有一个域名，并允许程序中按域名进行单独操作。

使用位域的做法是在结构体定义的时候，在结构体成员后面使用冒号（:）和数字来表示该成员所占的位数。

//Example 08#include <stdio.h>int main(void){ struct Test {  unsigned int a : 1;  unsigned int b : 1;  unsigned int c : 2; } test;  test.a = 0; test.b = 1; test.c = 2; printf("a = %d, b = %d, c = %d\n", test.a, test.b, test.c); printf("size of test = %d\n", sizeof(test)); return 0;}

运行结果如下：

//Consequence 08a = 0, b = 1, c = 2size of test = 4

如此一来，结构体test只用了4bit，却存放下了0、1、2三个整数。但是由于2在二进制中是10，因此占了2个bit。如果把test.b赋值为2，那么：

//Consequence 08 V2a = 0, b = 0, c = 2size of test = 4

可以看到，b中的10溢出了，只剩下0。

当然，位域的宽度不能够超过本身类型的长度，比如：

unsigned int a : 100;

那么就会报错：

错误  C2034  “main::test::a”: 位域类型对位数太小

位域成员也可以没有名称，只要给出类型和宽度即可：

struct Test{    unsigned int x : 1;    unsigned int y : 2;    unsigned int z : 3;    unsigned int : 26;};

无名位域一般用来作为填充或者调整成员的位置，因为没有名称，所以无名位域并不能够拿来使用。

❝

C语言的标准只说明unsigned int和signed int支持位域，然后C99增加了_Bool类型也支持位域，其他数据类型理论上是不支持的。不过大多数编译器在具体实现时都进行了扩展，额外支持了signed char、unsigned char以及枚举类型，所以如果对char类型的结构体成员使用位域，基本上也没什么问题。但如果考虑到程序的可移植性，就需要谨慎对待了。另外，由于内存的基本单位是字节，而位域只是字节的一部分，所以并不能对位域进行取地址运算。

❞

虽然科技发展日新月异，但是秉承着节约成本这个放之四海而皆准的原则，还是要注意使用！毕竟5毛钱可能是小钱，但是乘以5000万呢？

来源：电力电子技术与新能源

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首次发布时间：2024-07-07