🏗️ Structs & Data Organization结构体与数据组织

Organize complex data with structs for abstraction用结构体组织复杂数据，实现数据抽象

What is a Struct?什么是结构体？

A struct is a composite data type in C that groups fields of different types into a logical whole. It predates the idea of “classes” in OOP and is useful for modeling entities. 结构体（struct）是 C 语言中的一种复合数据类型，它允许我们将不同类型的数据组合在一起，形成一个逻辑整体。它是面向对象编程中“类”概念的前身，适合建模实体。

Struct Memory Layout Example:结构体内存布局示例：

+------------------+
|    red (int)     |  偏移量: 0字节
+------------------+
|   green (int)    |  偏移量: 4字节
+------------------+
|    blue (int)    |  偏移量: 8字节
+------------------+
|  总大小: 12字节  |
+------------------+

// 定义RGB颜色结构体
struct rgb {
    int red;      // 红色分量 (0-255)
    int green;    // 绿色分量 (0-255)
    int blue;     // 蓝色分量 (0-255)
};
            

结构体的基本操作

1. 声明结构体变量

struct rgb color1;              // 声明结构体变量
struct rgb color2 = {255, 128, 0}; // 声明并初始化
            

2. 访问结构体成员

struct rgb my_color;
my_color.red = 255;           // 设置红色分量
my_color.green = 128;         // 设置绿色分量
my_color.blue = 0;            // 设置蓝色分量

printf("RGB: %d, %d, %d\n", 
       my_color.red, my_color.green, my_color.blue);
            

3. 结构体指针

struct rgb color = {10, 20, 30};
struct rgb *ptr = &color;     // 结构体指针

// 使用箭头运算符访问成员
ptr->red = 100;              // 等价于 (*ptr).red = 100
ptr->green = 200;            // 等价于 (*ptr).green = 200
            

💡 点运算符 vs 箭头运算符

. (dot): access members via a struct variable. (点运算符): 用于结构体变量访问成员
-> (arrow): access members via a struct pointer-> (箭头运算符): 用于结构体指针访问成员
ptr->member is equivalent to (*ptr).memberptr->member 等价于 (*ptr).member

结构体作为函数参数

Structs can be passed to functions; be mindful of copying vs passing by pointer.结构体可以作为函数参数传递，但要注意传递方式的不同：

// 值传递：会复制整个结构体
void print_color(struct rgb color) {
    printf("RGB: %d, %d, %d\n", 
           color.red, color.green, color.blue);
}

// 指针传递：更高效，可以修改原结构体
void change_color(struct rgb *color) {
    int temp = color->red;
    color->red = color->blue;
    color->blue = color->green;
    color->green = temp;
}
            

🎯 RGB Struct Conversion ExampleRGB结构体转换实例

Let’s refactor the previous RGB conversion using a struct:让我们用结构体重构之前的RGB颜色转换函数：

// 定义RGB结构体
struct rgb {
    int red, green, blue;
};

// 使用结构体的颜色转换函数
void change_colour_struct(struct rgb *color) {
    int temp = color->red;     // 保存红色值
    color->red = color->blue;   // new red = old blue
    color->blue = color->green; // new blue = old green
    color->green = temp;        // new green = old red
}
                

结构体数组

Create arrays of structs to manage multiple related records:我们可以创建结构体数组来管理多个相关的数据：

// 定义电影评论结构体
struct movie_review {
    char title[100];     // 电影标题
    int release_year;    // 发行年份
    int rating;          // 评分 (0-10)
};

// 创建电影评论数组
struct movie_review reviews[3] = {
    {"The Matrix", 1999, 9},
    {"Inception", 2010, 8},
    {"Interstellar", 2014, 10}
};

// 访问数组中的结构体
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    printf("%s (%d): %d/10\n", 
           reviews[i].title, 
           reviews[i].release_year, 
           reviews[i].rating);
}
            

⚠️ 结构体内存对齐

Compilers may insert padding for alignment; total size can exceed sum of fields.编译器可能会在结构体中插入填充字节以满足内存对齐要求，这可能导致结构体的大小大于各成员大小之和。

struct example {
    char c;     // 1字节
    int i;      // 4字节
    // 1字节
}; // 实际大小可能是12字节，而不是6字节
                

🎯 练习与巩固

练习1: 结构体基础操作

Define a student struct (name, age, score) and print it.定义一个表示学生信息的结构体，包含姓名、年龄和成绩三个字段，并实现一个函数来打印学生信息。

// 定义学生结构体
struct student {
    char name[50];
    int age;
    float score;
};

// 实现打印函数
void print_student(struct student s) {
    // 在这里实现打印逻辑
}
                

Answer:答案：

void print_student(struct student s) {
    printf("姓名: %s\n", s.name);
    printf("年龄: %d\n", s.age);
    printf("成绩: %.2f\n", s.score);
}

// 使用示例
int main() {
    struct student s1 = {"张三", 20, 85.5};
    print_student(s1);
    return 0;
}
                    

练习2: 复杂结构体设计

Design a 2D point struct and compute distance between two points.设计一个表示二维点的结构体，并实现计算两点距离的函数。

// 定义二维点结构体
struct point2d {
    double x;
    double y;
};

// 计算两点距离
double distance(struct point2d p1, struct point2d p2) {
    // 使用勾股定理: sqrt((x2-x1)² + (y2-y1)²)
    // 在这里实现距离计算
}
                

Answer:答案：

#include 

double distance(struct point2d p1, struct point2d p2) {
    double dx = p2.x - p1.x;
    double dy = p2.y - p1.y;
    return sqrt(dx * dx + dy * dy);
}

// 使用示例
int main() {
    struct point2d p1 = {0.0, 0.0};
    struct point2d p2 = {3.0, 4.0};
    double d = distance(p1, p2);
    printf("距离: %.2f\n", d); // 输出: 5.00
    return 0;
}
                    

总结

Structs are crucial for organizing complex data. In this module, you learned:结构体是C语言中组织复杂数据的重要工具，本周我们学习了：

Struct Definition: how to define and use struct types结构体定义：如何定义和使用结构体类型
Member Access: difference between dot and arrow operators成员访问：点运算符和箭头运算符的区别
Struct Parameters: choose value vs pointer passing结构体参数：值传递和指针传递的选择
Array of Structs: manage multiple related records结构体数组：管理多个相关数据
Practical Uses: RGB colors, movie reviews, etc.实际应用：RGB颜色、电影评论等实例

🚀 下一步学习

Structs enable organizing complex data. Next, we’ll learn dynamic allocation to create structs at runtime.结构体让我们能够组织复杂的数据，接下来我们将学习动态内存分配，看看如何在运行时创建结构体。

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