[学习] C语言结构体与联合体的对比分析

C语言结构体与联合体的对比分析

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一、定义

1. 结构体（struct）

结构体是一种用户自定义的数据类型，它允许将不同类型的数据项组合在一起作为一个整体来处理。结构体的每个成员都有独立的内存空间，成员之间互不干扰。

• 内存分配方式：结构体的大小等于所有成员大小的总和（考虑内存对齐）。例如在32位系统中，int通常占4字节，float占4字节，char[20]占20字节
• 声明语法：

  struct 结构体标签 {数据类型 成员1;数据类型 成员2;...
  };
  

• 成员访问：使用点运算符(.)访问成员，如stu.age

示例代码框架：

struct student {char name[20];  // 姓名，占用20字节int age;        // 年龄，通常占用4字节float score;    // 分数，通常占用4字节
};  // 整个结构体在32位系统中通常占用28字节（考虑对齐）// 使用示例
struct student stu1;
strcpy(stu1.name, "张三");
stu1.age = 18;
stu1.score = 89.5;

2. 联合体（union）

联合体是一种特殊的数据类型，它允许在同一内存位置存储不同的数据类型。但任何时候只能使用其中一个成员，所有成员共享同一块内存空间。

• 内存特性：联合体的大小等于其最大成员的大小
• 声明语法：

  union 联合体标签 {数据类型 成员1;数据类型 成员2;...
  };
  

• 内存占用：联合体只分配足够容纳最大成员的内存空间

示例代码框架：

union data {int i;      // 占用4字节float f;    // 占用4字节char str[4];// 占用4字节
};  // 整个联合体占用4字节// 使用示例
union data value;
value.i = 10;       // 存储整数
printf("%d", value.i);
value.f = 3.14;     // 存储浮点数，之前存储的整数被覆盖
printf("%f", value.f);

典型应用场景：

1. 结构体适用于需要同时存储多个相关数据的场景（如学生信息）
2. 联合体适用于需要节省内存空间，且同一时间只需使用一种类型的场景（如协议解析）

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二、核心差异对比

• 内存分配方式
  结构体采用"内存叠加"方式，每个成员都分配独立的内存空间，且按声明顺序连续排列。例如一个包含int和char的结构体，在32位系统中将占用4+1=5字节（考虑对齐可能为8字节）。
  联合体采用"内存重叠"方式，所有成员共享同一段内存空间，其大小为最大成员所需内存。例如同时包含int和char的联合体，只占用4字节（int所需空间），char将使用int的部分存储空间。

• 访问特性
  结构体支持同时访问所有成员，各成员的值互不影响。例如可以同时读取student结构体的name和age字段。
  联合体同一时间仅能有效访问一个成员，修改任一成员都会影响其他成员的值。如先给union的int成员赋值后，再读取char成员将得到int数据的部分字节。

• 应用目标
  结构体适用于需要聚合多种数据的场景，如学生信息（学号、姓名、成绩等）、坐标点（x,y,z）等复合数据结构。
  联合体主要用于：1）实现类型转换，如将float的二进制表示拆解为4个byte；2）节省内存空间，如在协议解析时，同一字段可能存储不同类型但不会同时使用。

• 典型示例

  // 结构体示例
  struct Student {char name[20];int age;float score;
  }; // 各字段独立存储// 联合体示例
  union Data {int i;float f;char str[4];
  }; // 所有字段共享内存
  

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三、典型使用场景

1. 结构体场景

结构体常用于需要组合多个不同类型数据的场景，主要应用包括：

1. 数据库记录存储

   • 可以表示完整的数据库表记录
   • 例如：员工信息(工号、姓名、部门、工资等)

2. 对象建模

   • 几何图形：坐标点、矩形区域
   • 学生信息：学号、姓名、成绩
   • 商品信息：ID、名称、价格、库存

实验示例详细说明：

#include <stdio.h>// 定义表示二维坐标点的结构体
struct point {int x;  // x坐标int y;  // y坐标
};int main() {// 初始化结构体实例struct point p = {3, 4};// 访问结构体成员并打印printf("坐标: (%d, %d)\n", p.x, p.y);// 修改结构体成员值p.x = 10;p.y = 20;printf("新坐标: (%d, %d)\n", p.x, p.y);return 0;
}

2. 联合体场景

联合体主要用于需要共享内存空间的场景，典型应用包括：

1. 网络协议解析

   • 解析IP头部、TCP头部等网络协议字段
   • 方便以不同方式访问同一数据

2. 硬件寄存器访问

   • 访问特殊功能寄存器
   • 既可以整体操作也可以位操作

3. 类型转换

   • 实现类似变体类型(Variant)的效果
   • 实现数据类型的灵活转换

实验示例详细说明：

#include <stdio.h>// 定义联合体用于整数和字节数组的转换
union converter {int num;        // 4字节整数char bytes[4];  // 4字节数组
};int main() {union converter c;// 赋值整数c.num = 0x12345678;// 通过字节数组访问printf("字节0: %02x\n", c.bytes[0]);  // 低字节printf("字节1: %02x\n", c.bytes[1]);printf("字节2: %02x\n", c.bytes[2]);printf("字节3: %02x\n", c.bytes[3]);  // 高字节// 修改字节影响整数值c.bytes[0] = 0xAA;printf("新整数值: %08x\n", c.num);return 0;
}

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四、混合使用案例

结构体和联合体的组合使用在实际编程中非常常见，特别是在需要处理多种数据类型但又需要统一存储结构的场景。下面通过几个具体案例来展示这种组合的实用价值。

1. 网络协议头解析

在网络编程中，经常需要解析不同类型的协议数据包。使用结构体嵌套联合体可以高效地处理这种场景：

// 定义网络数据包结构
struct packet {int type;  // 数据包类型标识union {int int_data;     // 用于传输整数数据float float_data; // 用于传输浮点数据char str_data[64];// 用于传输字符串数据} payload; // 联合体存储不同类型的数据内容
};

使用方法示例：

struct packet pkt;
pkt.type = 1; // 设为整数类型
pkt.payload.int_data = 42; // 存储整数pkt.type = 2; // 设为浮点类型
pkt.payload.float_data = 3.14f; // 存储浮点数

2. 文件格式解析

在处理多种文件格式时，这种模式也非常有用：

struct file_header {char magic[4];  // 文件标识符int version;    // 文件版本union {struct {int width;int height;} image_data;  // 图像文件专用字段struct {int sample_rate;int channels;} audio_data;  // 音频文件专用字段} format_data;
};

3. 图形系统设计

在图形系统中处理不同类型的图形对象：

struct graphic_object {int obj_type; // 1=圆形, 2=矩形, 3=三角形union {struct {float radius;} circle;struct {float width;float height;} rectangle;struct {float base;float height;} triangle;} attributes;
};

4. 注意事项

1. 使用联合体时需要格外小心类型安全问题
2. 需要额外的标识字段来指示当前使用的联合体成员
3. 针对不同平台需要考虑内存对齐问题
4. 在跨系统通信时要考虑字节序问题

这种设计模式极大地提高了数据结构的灵活性，同时保持了内存使用的高效性。

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