一、结构体与联合体的概念与区别
在C语言中，结构体(struct)和联合体(union)是两种重要的复合数据类型，它们都能将不同类型的数据组合在一起，但在内存使用和访问方式上有显著差异。
结构体是将不同类型的数据项组织在一起的数据结构，每个成员拥有独立的内存空间。例如：
struct Student {
char name[20];
int age;
float score;
};
联合体则是所有成员共享同一块内存空间，同一时间只能存储一个成员的值。例如：
union Data {
int i;
float f;
char str[20];
};
关键区别：
- 内存分配：结构体成员占用独立空间，联合体成员共享空间
- 大小计算：结构体大小为各成员之和（考虑对齐），联合体大小为最大成员大小
- 使用方式：结构体可同时访问所有成员，联合体同一时间只能有效访问一个成员
二、结构体的高级特性
1. 结构体嵌套
结构体可以嵌套其他结构体，构建更复杂的数据结构：
struct Address {
char city[20];
char street[50];
};
struct Employee {
char name[20];
struct Address addr;
int salary;
};
2. 结构体指针与动态分配
结构体指针常用于动态内存分配和函数参数传递：
struct Student *p = malloc(sizeof(struct Student));
p->age = 20; // 使用箭头运算符访问成员
3. 位域结构体
位域允许按位分配结构体成员，节省内存空间：
struct {
unsigned int flag1 : 1;
unsigned int flag2 : 3;
unsigned int flag3 : 4;
} status;
三、联合体的特殊应用
1. 类型转换
联合体可用于实现不同类型数据的转换：
union Converter {
float f;
unsigned int i;
} conv;
conv.f = 3.14;
printf("Float as int: %x\n", conv.i);
2. 变体记录
联合体常用于实现变体记录，存储不同类型但互斥的数据：
struct Variant {
int type;
union {
int i;
float f;
char *s;
} value;
};
3. 硬件寄存器映射
在嵌入式系统中，联合体常用于映射硬件寄存器：
union ControlReg {
unsigned int raw;
struct {
unsigned int enable : 1;
unsigned int mode : 3;
unsigned int reserved : 28;
} bits;
};
四、实战案例分析
案例1：学生成绩管理系统
使用结构体数组管理学生信息：
struct Student {
int id;
char name[20];
float scores[3]; // 三门课成绩
float average;
};
void calculateAverage(struct Student *s) {
s->average = (s->scores[0] + s->scores[1] + s->scores[2]) / 3;
}
案例2：网络协议解析
使用联合体解析网络数据包：
union IPAddress {
unsigned int address;
unsigned char octet[4];
};
void printIP(union IPAddress ip) {
printf("%d.%d.%d.%d", ip.octet[0], ip.octet[1], ip.octet[2], ip.octet[3]);
}
五、性能与内存优化建议
- 结构体对齐：合理安排成员顺序减少填充字节
- 结构体大小：对于大型结构体数组，考虑使用指针数组
- 联合体使用：在需要节省内存且数据互斥时优先考虑
- 内存布局：了解平台的对齐要求，优化数据访问速度
六、总结
结构体和联合体是C语言中强大的数据组织工具。结构体适合组织相关联的数据，而联合体则适合处理互斥数据或需要类型转换的场景。深入理解它们的内存布局和使用方式，能够帮助开发者编写出更高效、更灵活的代码。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的数据结构，并注意内存使用和性能优化。
