C语言之结构体就这样被攻克了!值得收藏!

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2020-08-27 21:09

来源 :公众号“TechZone”,作者:HarrisWilde

「本文目录」

  • 结构体的声明与定义

    • 声明

    • 定义

    • 访问结构体成员

    • 初始化结构体

    • 对齐

  • 结构体嵌套

  • 结构体数组

  • 结构体指针

  • 传递结构体信息

    • 传递结构体变量

    • 传递指向结构体变量的指针

  • 动态申请结构体

  • 实战:建立一个图书馆数据库

  • 单链表

    • 在单链表中插入元素

    • 搜索单链表

    • 插入结点到指定位置

    • 删除结点

  • 内存池

  • typedef

    • 给数据类型起别名

    • 结构体的搭档

    • 进阶

  • 共用体

    • 声明

    • 初始化

  • 枚举

  • 位域

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 

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 

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 

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 

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 V1
size 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 

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 V2
size 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。

关于如何声明结构体来节省内存容量,可以阅读下面的这篇文章,作者是艾瑞克·雷蒙,时尚最具争议性的黑客之一,被公认为开源运动的主要领导者之一:

英文原版,中文版

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 

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 

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 Infopinfo;

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:

  1. (*结构体指针).成员名
  2. 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 
...
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 
...
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:

//Example 04
#include 

int main(void)
{
    struct Test
    {

        int x;
        int y;
    }t1, t2;

    t1.x = 3;
    t1.y = 4;
    t2 = t1;

    printf("t2.x = %d, t2.y = %d\n", t2.x, t2.y);
    return 0;
}

运行结果如下:

//Consequence 04
t2.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 
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 
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 
...
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 
#include 

#define MAX_SIZE 100

struct 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 Booklib[MAX_SIZE];
    struct Bookp = 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」「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:

单链表

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 Infonext;
};

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 Infoinfo, *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 Infoinfo;
    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 Infotemp;
    
    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 Infoinfo, *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 Infoinfo, *temp;
    static struct Infotail;//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 Infoinfo;
    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 
#include 

struct Node
{

    int value;
    struct Nodenext;
};

void insNode(struct Node** head, int value)
{
    struct Nodepre;
    struct Nodecur;
    struct NodeNew;

    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 Nodecur;

    cur = head;
    while (cur != NULL)
    {
        printf("%d ", cur->value);
        cur = cur->next;
    }
    putchar('\n');
}

int main(void)
{
    struct Nodehead = 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:4
4
请输入一个整数,输入-1表示结束:5
4 5
请输入一个整数,输入-1表示结束:3
3 4 5
请输入一个整数,输入-1表示结束:6
3 4 5 6
请输入一个整数,输入-1表示结束:2
2 3 4 5 6
请输入一个整数,输入-1表示结束:5
2 3 4 5 5 6
请输入一个整数,输入-1表示结束:1
1 2 3 4 5 5 6
请输入一个整数,输入-1表示结束:7
1 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 Nodepre;
    struct Nodecur;
    
    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mallocfree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 
#include 
#include 

struct Person
{

 char name[40];
 char phone[20];
 struct Personnext;
};

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 Personperson;
 struct Persontemp;

 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 Personcurrent;
 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 Personperson;

 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 Personperson;
 struct Personcurrent;
 struct Personprevious;

 //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 Personcurrent;

 current = contacts;
 while (current != NULL)
 {
  printPerson(current);
  current = current->next;
 }
}

void releaseContacts(struct Person** contacts)
{
 struct Persontemp;

 while (*contacts != NULL)
 {
  temp = *contacts;
  *contacts = (*contacts)->next;
  free(temp);
 }
}

int main(void)
{
 int code;
 struct Personcontacts = NULL;
 struct Personperson;

 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 
#include 
#include 

#define MAX 1024

struct Person
{

 char name[40];
 char phone[20];
 struct Personnext;
};

struct Personpool = 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 Personperson;
 struct Persontemp;

 //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 Personcurrent;
 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 Personperson;

 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 Personperson;
 struct Personcurrent;
 struct Personprevious;
 struct Persontemp;
 {

 };

 //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 Personcurrent;

 current = contacts;
 while (current != NULL)
 {
  printPerson(current);
  current = current->next;
 }
}

void releaseContacts(struct Person** contacts)
{
 struct Persontemp;

 while (*contacts != NULL)
 {
  temp = *contacts;
  *contacts = (*contacts)->next;
  free(temp);
 }
}

void releasePool(void)
{
 struct Persontemp;
 while (pool != NULL)
 {
  temp = pool;
  pool = pool->next;
  free(temp);
 }
}

int main(void)
{
 int code;
 struct Personcontacts = NULL;
 struct Personperson;

 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:

C:

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 
#include 

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 05
test.i: 1751344468
test.pi: 3946574856045802736197446431383475413237648487838717723111623714247921409395495328582015991082102150186282825269379326297769425957893182570875995348588904500564659454087397032067072.00
test.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 
#include 

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 
#include 

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 07
weekend: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 

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 08
a = 0, b = 1, c = 2
size 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 V2
a = 0, b = 0, c = 2
size 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。

-END-



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