C++：结构体（Structure）

目录

第一性原理出发：我们要解决什么问题？

定义结构体（Defining Structures）

问题：名字太长怎么办？

如何定义结构体变量？

结构体的大小（Size of Structures）

初始化结构体（Initialize Structures）

访问结构体成员（Access Structures）

结构体的指针（Pointers to Structures）

如何通过指针访问结构体成员？

👣 分析 (*p).width 的由来：

结构体作为函数参数（Structures as Parameters）

为什么结构体很重要？

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第一性原理出发：我们要解决什么问题？

第一性原理是从根本出发，不依赖已有抽象来理解一个问题。

问题：我们如何表达复杂的数据？

在 C 语言里，我们已经知道可以用变量存储数据，比如：

int width = 10;
int height = 5;

这两个变量表示一个矩形的宽和高。但如果我们有多个矩形，就可能会有一堆变量：

int r1_width = 10, r1_height = 5;
int r2_width = 20, r2_height = 10;

 这会让代码变得混乱、不好维护。

💡第一性答案：我们要把相关数据打包成一个“新类型”

我们想要的是：把一个矩形的宽和高“绑定”在一起，像一个单元一样使用它。

这就引出了结构体（Structure）的概念：

结构体是 C 语言提供的一种机制，它允许我们把多个不同或相同类型的数据组合在一起，形成一个“新的数据类型”。

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定义结构体（Defining Structures）

我们可以用 struct 关键字定义一个矩形结构体：

struct Rectangle {int width;int height;
};

这段代码做了什么？

• 它定义了一个新的类型，叫做 struct Rectangle，可以用它创建变量

• 这个类型有两个成员：

  • width：整型，表示矩形的宽

  • height：整型，表示矩形的高

可以把它理解为一个“结构体工厂”，以后我们可以用它制造一个一个“矩形对象”。

问题：名字太长怎么办？

每次都写 struct Rectangle 很麻烦，所以我们可以使用 typedef 来定义一个别名，简化使用：

typedef struct Rectangle {int width;int height;
} Rectangle;

• struct Rectangle 是原始名字

• Rectangle 是你定义的新别名

这样你以后可以直接写：

Rectangle r1;
//等价于
struct Rectangle r1;

💡更进一步：定义和别名可以合并写成匿名结构体

如果你不打算用 struct Rectangle 这种原始名，可以这样简写：

typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;

这也是合法的结构体定义方式，结构体没有“名”，但有了一个别名 Rectangle。 

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如何定义结构体变量？

1️⃣ 先定义结构体，再定义变量：

struct Rectangle {int width;int height;
};struct Rectangle r1, r2;

2️⃣ 定义时直接创建变量：

struct Rectangle {int width;int height;
} r1, r2;

 3️⃣ 使用 typedef 简化后：

typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;Rectangle r1, r2;

我们可以这样用这个结构体定义实际的矩形：

struct Rectangle r1;
r1.width = 10;
r1.height = 5;

这段代码：

• 创建了一个结构体变量 r1

• 给它的 width 和 height 赋值

✅现在 r1 是一个“真正的矩形”，有自己的宽和高！

我们可以像这样使用它：

int area = r1.width * r1.height;
printf("Area: %d\n", area);

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结构体的大小（Size of Structures）

🔎 问题：一个结构体到底占用多少内存？

我们可以用 sizeof() 运算符来查看：

#include <stdio.h>typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;int main() {printf("Size of Rectangle: %lu\n", sizeof(Rectangle));return 0;
}

分析：它的大小是所有成员的大小之和吗？

直觉上你可能以为是：

• int width：4 字节

• int height：4 字节

• 总共：8 字节

 这个答案大多数时候是对的，但是……

🧠现实中会有对齐（Padding）

有时结构体会包含“填充字节”（padding），为了让内存对齐（alignment），提高访问效率。

比如下面这个结构体：

struct Example {char a;int b;
};

你可能以为大小是 1 + 4 = 5 字节，但其实 sizeof(struct Example) 很可能是 8。

原因是：

• char 占 1 字节

• 为了让 int 对齐到 4 字节位置，会插入 3 个字节的“空白”

• 所以实际内存布局是：

字节偏移	内容
0	a
1~3	填充
4~7	b

如何减少结构体大小？

把小的字段放在一起，有时可以减少对齐浪费：

struct Compact {char a;char b;int c;
};

这样会比 char + int 的组合更紧凑一些。 

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初始化结构体（Initialize Structures）

有几种方式可以给结构体变量赋初值。

 方法一：逐个成员赋值

r1.width = 10;
r1.height = 5;

方法二：使用初始化列表

可以直接一次性赋值：

Rectangle r2 = {20, 15};

它会按顺序对应结构体中的成员：第一个是 width，第二个是 height。 

⚠️结构体不能直接比较 

if (r1 == r2) {  // 错误，结构体不能用 == 比较// ...
}

要比较结构体，得自己比较各个字段：

if (r1.width == r2.width && r1.height == r2.height) {// ...
}

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访问结构体成员（Access Structures）

访问结构体成员有两种主要方式：

1. 用点运算符 .（用于结构体变量）

Rectangle r1 = {10, 5};
printf("Width: %d\n", r1.width);
printf("Height: %d\n", r1.height);

. 是成员访问运算符，用于访问结构体变量的成员。 

可以理解为：

• 你有一个“复合数据类型”（结构体）

• 用 . 告诉编译器：“我要访问这个结构里的某一个字段”

2. 用箭头运算符 ->（用于结构体指针） 

Rectangle *p = &r1;
printf("Width: %d\n", p->width);
printf("Height: %d\n", p->height);

这两个方式的差别在于：

• . 用于结构体变量本身

• -> 用于结构体指针

等价的写法也可以是：

(*p).width  // 与 p->width 等价，但不常用

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结构体的指针（Pointers to Structures）

为什么我们需要结构体指针？

结构体通常存储多个数据，传递或处理时如果结构体很大（有很多字段），传结构体副本效率低、内存开销大。

所以就像数组、字符串一样，我们经常用“结构体指针”来：

• 节省内存

• 修改原始结构体的数据

• 在函数之间高效传递结构体

如何声明和使用结构体指针？

假设我们有这个结构体：

typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;Rectangle r1 = {10, 5};

声明结构体指针，并指向变量 r1：

Rectangle *p = &r1;  // p 是一个指向 Rectangle 的指针

• p 存储的是 r1 的地址

• *p 表示通过指针访问 r1

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如何通过指针访问结构体成员？

有两种方式：

方式一：箭头运算符 ->

p->width    // 访问 r1 的 width
p->height   // 访问 r1 的 height

这是最常用的方式，代码简洁可读性好。 

方式二：使用 (*p).member 

👣 分析 (*p).width 的由来：

1. p 是一个结构体指针，指向 r1

2. *p 就是解引用，表示 r1 本体

3. (*p).width 的意思是：

• 先从指针 p 拿到结构体 r1

• 再取 r1.width

💡 但注意括号一定要加！

如果写成 *p.width 是错误的，解释如下：

• 运算符优先级中 . 的优先级高于 *

• 所以 *p.width 实际上是 *(p.width)，这表示的是 “p 的成员 width 的值，再解引用”，根本不是我们要的意思！

🔁 所以：正确写法是 (*p).member，等价于：p->member

你可以理解为：p->width   ≡   (*p).width

但 -> 是语法糖，更方便。

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结构体作为函数参数（Structures as Parameters）

在 C/C++ 语言中，结构体可以作为函数的参数传递进去。根据不同的传递方式，它的行为会有非常大的区别。主要有三种方式：

按值传递（Pass by Value）

结构体按值传递时，函数接收到的是结构体的一份副本（copy），修改这个副本不会影响原始结构体。

#include <stdio.h>typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;void change(Rectangle r) {r.width = 999;
}int main() {Rectangle r1 = {10, 5};change(r1);printf("r1.width = %d\n", r1.width);  // 输出 10，而不是 999return 0;
}

• change(r1); 把 r1 拷贝了一份，传给了函数

• 函数里 r.width = 999; 修改的是副本，不影响 r1 本体

 按指针传递（Pass by Pointer）

把结构体变量的地址传递给函数。函数可以通过这个地址访问并修改结构体的内容。

#include <stdio.h>typedef struct {int width;int height;
} Rectangle;void change(Rectangle *p) {p->width = 999;  // 或 (*p).width = 999;
}int main() {Rectangle r1 = {10, 5};change(&r1);  // 注意传的是地址printf("r1.width = %d\n", r1.width);  //  输出 999return 0;
}

• change(&r1) 传递结构体的地址

• p->width = 999; 直接修改原始结构体变量 r1

• 指针传递效率高，尤其是结构体比较大时非常有用

按引用传递（ Pass by Reference）

使用 &，函数接收的是真实结构体的“别名”，不会产生拷贝，函数内部的修改会作用于原始变量。

#include <iostream>
using namespace std;struct Rectangle {int width;int height;
};void change(Rectangle &r) {r.width = 999;
}int main() {Rectangle r1 = {10, 5};change(r1);cout << "r1.width: " << r1.width << endl;  // 输出 999 return 0;
}

• 省去了拷贝，性能高

• 可以直接修改原始数据

也可以升级为按常量引用传递 （Pass by const Reference）

这是 C++ 最推荐的方式之一，特别是只读访问结构体时。

void printArea(const Rectangle &r) {cout << "Area: " << r.width * r.height << endl;
}

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为什么结构体很重要？

结构体带来的核心好处是：

• 组织数据：相关的数据（比如矩形的宽和高）可以组合在一起

• 可读性强：代码语义更清晰

• 可扩展性强：以后如果要添加更多属性（比如颜色、边框样式），直接在结构体中加字段就行

例如，我们要扩展 Rectangle 加一个颜色：

struct Rectangle {int width;int height;char color[20];
};

结构体 + 函数 = 更强大！

你甚至可以定义一个函数来计算矩形面积，结构体作为参数传入：

int getArea(struct Rectangle r) {return r.width * r.height;
}int area = getArea(r1);