第14讲：结构体

《计算机程序设计》

苏醒

计算机学院计算机研究所编译系统研究室

课前准备

在WSL Ubuntu中建立一个专门的目录用于课上练习，如~/course

$ mkdir ~/course

打开VSCode并连接到WSL，打开此目录并新建文件，如~/course/main.cpp
编辑main.cpp，随堂编程练习的代码请直接在此文件中编辑

main.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
  // ============= begin =============

  // =============  end  =============
  return 0;
}

温故

考考你

阅读下列程序，描述其功能

猜猜我在干啥？

void transpose(double *m, int n) {
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    for (int j = 0; j < i; j++) {
      double temp = m[i * n + j];
      m[i * n + j] = m[j * n + i];
      m[j * n + i] = temp;
    }
  }
}

实现一个学员信息管理系统

编程实现

使用C++实现一个信息管理系统，要求如下：

学员信息包括姓名、学号、性别、出生年份、专业
支持查改增删等信息管理操作

学员信息管理系统
学号	姓名	性别	出生年份	专业
2024001	张三	男	2003	航空航天
2024002	李四	女	2003	计算机
2024003	王五	男	2004	数学
2024004	赵六	男	2003	航空航天
2024005	钱七	女	2004	计算机
2024006	孙八	男	2003	数学

学习目标

学习内容
- 结构的定义与初始化
- 结构体的使用
- 结构数组与结构指针

学习目标

理解结构体的内存布局
掌握结构体的定义与使用
应用结构体解决复杂数据的组织与管理

运用本次课所学内容，实现学员信息管理系统

一、结构体的定义与初始化

引入：如何表示学员信息

考考你

使用多个变量表示学员信息，各信息变量分别是什么类型？

学员信息

int id;          // 学号
char name[16];   // 姓名
char sex;        // 性别
int birth;       // 出生年份
char major[20];  // 专业

使用数组表示全部学员的信息

学员信息数组

const int MAX_STUDENTS = 100;
int id[MAX_STUDENTS];          // 学号
char name[MAX_STUDENTS][20];   // 姓名
char sex[MAX_STUDENTS];        // 性别
int birth[MAX_STUDENTS];       // 出生年份
char major[MAX_STUDENTS][20];  // 专业

学员信息是一个有机整体，独立变量无法信息之间的联系！

1.1 结构体的概念

结构体用于将多个关联数据聚合成一个整体
- 结构体包含多个变量，称为成员
- 每个成员具有自己的类型与名称

学员信息结构体

struct Student {
  int id;          // 学号
  char name[16];   // 姓名
  char sex;        // 性别
  int birth;       // 出生年份
  char major[20];  // 专业
};

明察秋毫

C++中，结构体是实现数据封装与抽象的基本手段

1.2 结构体的定义

结构体定义语法
- 使用struct关键字
- struct后跟结构体名称（标识符）
- 结构体名称后面是成员列表
  - 成员列表用大括号括起来
  - 每个成员由类型与名称组成
  - 成员之间用分号分隔
结构体定义以分号结束

结构体定义

struct Student {
  int id;          // 学号
  char name[16];   // 姓名
  char sex;        // 性别
  int birth;       // 出生年份
  char major[20];  // 专业
};

明察秋毫

结构体本身是一种类型（用户定义的复合类型）
- 结构体类型的变量称为结构体变量

结构体变量

Student s1, s2, s3; // 定义三个Student类型的变量

1.2 结构体的定义

考考你

结构体的成员变量是否可以是任意类型？包括结构体类型？

结构体的结构体成员

struct Date {
  int year;
  int month;
  int day;
};
struct Student {
  int id;          // 学号
  char name[16];   // 姓名
  char sex;        // 性别
  Date birth;      // 出生年份
  char major[20];  // 专业
};

明察秋毫

结构体的成员可以是任意类型，包括基础数据类型、结构体、数组、指针等
但是，结构体成员不能是本结构体类型！

1.3 结构体的存储

结构体变量占据内存中一块连续区域
成员在内存中存储顺序由实现决定（一般按照定义顺序）
成员要满足所属类型的空间与对齐要求

layout.cpp

#include <iostream>
struct Student {
  int id;         // 4B，4B对齐
  char name[16];  // 16B，1B对齐
  char sex;       // 1B，1B对齐
  int birth;      // 4B，4B对齐
  char major[20]; // 20B，1B对齐
};
int main() {
  Student s;
  std::cout << sizeof(Student) << ' '
            << alignof(Student) << std::endl;
  return 0;
}

Try it!

试编译运行此程序，观察Student结构的体积与对齐，还原其存储布局

$ g++ -o code/layout code/layout.cpp
$ ./code/layout

48 4

明察秋毫

由于成员变量的对齐要求，结构体的体积可能大于成员变量之和

1.3 结构体的存储

offsetof.cpp

#include <iostream>
struct Student {
  // 4B，4B对齐 | 20B，1B对齐    | 1B，1B对齐 | 4B，4B对齐 | 20B，1B对齐
  int id;        char name[20];  char sex;   int birth;  char major[20];
};
int main() {
  Student s;
  std::cout << sizeof(Student) << ' ' << alignof(Student) << std::endl;
  std::cout << offsetof(Student, id) << ' ' << offsetof(Student, name) << ' '
            << offsetof(Student, sex) << ' ' << offsetof(Student, birth) << ' '
            << offsetof(Student, major) << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/offsetof code/offsetof.cpp
$ ./code/offsetof

52 4
0 4 24 28 32

1.4 结构体的初始化

结构体变量可以在定义的同时进行初始化

structinit.cpp

struct Student {
  int id;         // 4B，4B对齐
  char name[16];  // 16B，1B对齐
  char sex;       // 1B，1B对齐
  int birth;      // 4B，4B对齐
  char major[20]; // 20B，1B对齐
};
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};  // 初始化所有成员
  Student lisi = {2004002, "李四", 'F'};                       // 初始化部分成员，其余默认值（0）
  Student wangwu = {.id=2005003, .name="王五", .major="计算机"};// 指定初始化列表，可做部分初始化
  Student zhaoliu = {.name="赵六", .id=2006004, .sex='M'};     // 指定初始化列表，但成员顺序必须与定义一致
  return 0;
}

$ g++ -o code/structinit code/structinit.cpp

code/structinit.cpp: In function ‘int main()’:
code/structinit.cpp:12:57: error: designator order for field ‘Student::id’ does not match declaration order in ‘Student’
   12 |   Student zhaoliu = {.name="赵六", .id=2006004, .sex='M'};     // 指定初始化列表，但成员顺序必须与定义一致
      |                                                         ^

1.4 结构体的初始化

考考你

请使用嵌套初始化列表，完成嵌套结构体变量的初始化

嵌套结构体初始化

struct Date {
  int year;
  int month;
  int day;
};
struct Student {
  int id;          // 学号
  char name[16];   // 姓名
  char sex;        // 性别
  Date birth;      // 出生年份
  char major[20];  // 专业
};

// (2004001, "张三", 'M', (2003, 6, 12), "计算机")
static Student s = {

};

二、结构体的使用

2.1 访问结构体成员变量

结构体成员变量的访问使用对象成员运算符（.）

memberaccess.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id;         // 4B，4B对齐
  char name[16];  // 16B，1B对齐
  char sex;       // 1B，1B对齐
  int birth;      // 4B，4B对齐
  char major[20]; // 20B，1B对齐
};
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};
  std::cout << zhangsan.id << ' ' << zhangsan.major << std::endl;
  std::strcpy(zhangsan.major, "计算机");
  std::cout << zhangsan.id << ' ' << zhangsan.major << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/memberaccess code/memberaccess.cpp
$ ./code/memberaccess

2024001 航空航天
2024001 计算机

2.1 访问结构体成员变量

通过指向结构体的指针也可直接访问成员变量，使用指针成员运算符（->）

ptrmemberaccess.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id;         // 4B，4B对齐
  char name[16];  // 16B，1B对齐
  char sex;       // 1B，1B对齐
  int birth;      // 4B，4B对齐
  char major[20]; // 20B，1B对齐
};
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};
  Student *p = &zhangsan;
  std::cout << p->id << ' ' << p->major << std::endl;
  std::strcpy(p->major, "计算机");
  std::cout << p->id << ' ' << p->major << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/ptrmemberaccess code/ptrmemberaccess.cpp
$ ./code/ptrmemberaccess

2024001 航空航天
2024001 计算机

2.1 访问结构体成员变量

考考你

对象成员运算符（.）与指针成员运算符（->）的关系是什么？

若p指向结构体变量s，即p == &s，则下列表达式完全等价
- s.id
- p->id
- (*p).id

2.2 结构体与函数

结构体变量可以作为函数参数传递

structinfunc.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id; char name[16]; char sex; int birth; char major[20];
};
Student resetName(Student s, const char *name) {
  strcpy(s.name, name);
  return s;
}
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};
  Student lisi = resetName(zhangsan, "李四");
  return 0;
}

考考你

结构体变量zhangsan、lisi以及函数resetName的参数s，是否对应内存中同一个结构体变量？

2.2 结构体与函数

结构体作为参数与返回值时，默认均为值传递，会引入数据拷贝
- 当结构体较大时，拷贝开销较大，应予以避免
对于参数，可以传递引用或指针以避免拷贝
- 引用：void resetName(Student &s, const char *name)
- 指针：void resetName(Student &s, const char *name)

2.2 结构体与函数

考考你

能否通过引用或指针返回结构体以避免拷贝？

returnptr.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id; char name[16]; char sex; int birth; char major[20];
};
Student *resetName(Student s, const char *name) {
  strcpy(s.name, name);
  return &s;
}
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};
  Student *lisi = resetName(zhangsan, "李四");
  std::cout << lisi->name << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/returnptr code/returnptr.cpp
$ ./code/returnptr

code/returnptr.cpp: In function ‘Student* resetName(Student, const char*)’:
code/returnptr.cpp:8:10: warning: address of local variable ‘s’ returned [-Wreturn-local-addr]
    8 |   return &s;
      |          ^~
code/returnptr.cpp:6:28: note: declared here
    6 | Student *resetName(Student s, const char *name) {
      |                    ~~~~~~~~^
/bin/bash: line 1: 250724 Segmentation fault      (core dumped) ./code/returnptr 2>&1

2.2 结构体与函数

若希望通过指针或引用返回结构体，须保证返回后该变量的存储空间不释放
- 不能返回函数内定义的局部结构体变量

returnnewptr.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id; char name[16]; char sex; int birth; char major[20];
};
Student *resetName(Student s, const char *name) {
  strcpy(s.name, name);
  Student *p = new Student;
  *p = s;
  return p;
}
int main() {
  Student zhangsan = {2024001, "张三", 'M', 2003, "航空航天"};
  Student *lisi = resetName(zhangsan, "李四");
  std::cout << lisi->name << std::endl;
  delete lisi;
  return 0;
}

2.3 结构体数组

结构体数组的定义、初始化与使用与普通数组类似

structarray.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student {
  int id; char name[16]; char sex; int birth; char major[20];
};
const int MAX_STUDENTS = 100;
static Student students[MAX_STUDENTS];
int main() {
  for (int i = 0; i < MAX_STUDENTS; i++) {
    students[i].id = 2024000 + i;
    std::cin >> students[i].name >> students[i].sex >> students[i].birth >> students[i].major;
  }
  int id = 0;
  std::cin >> id;
  for (int i = 0; i < MAX_STUDENTS; i++) {
    if (students[i].id == id) {
      std::cout << students[i].name << " " << students[i].sex << " " << students[i].birth << " " << students[i].major << std::endl;
      break;
    }
  }
  return 0;
}

三、实现学员信息管理系统

3.1 学员信息系统

实现一个简单的学员信息管理系统，包含以下功能

学员管理系统API
功能	函数签名	说明
查	`Student *find(int id)`	根据学号查找学员
改	`Student update(int id, const char major)`	修改学员专业
增	`Student *add(Student &s)`	新增学员信息
删	`Student *remove(int id)`	删除学员信息

学员管理系统

#include <cstring>
#include <iostream>
struct Student { int id; char name[16]; char sex; int birth; char major[20]; };
const int MAX_STUDENTS = 100;
static Student students[MAX_STUDENTS];
Student *find(int id);
Student *update(int id, const char* major);
Student *add(Student &s);
Student *remove(int id);

3.2 学员查询

给定学号，查询学员信息
- 若查询成功，返回指向该学员的指针，否则返回nullptr

查询学员信息

Student *find(int id) {
  for (int i = 0; i < MAX_STUDENTS; i++) {
    if (students[i].id == id) {
      return &students[i];
    }
  }
  return nullptr;
}

3.3 学员修改

给定学号，修改学员专业
- 若修改成功，返回指向该学员的指针，若学员不存在则返回nullptr

修改学员专业

Student *update(int id, const char* major) {
  



}

3.4 新增学员

新增学员信息，id为0的结构体变量表示空闲
- 若新增成功，返回指向该学员的指针，若无空闲位置则返回nullptr

新增学员信息

Student *add(Student &s) {
  



}

3.5 删除学员

删除指定学号的学员信息
- 若删除成功，返回删除后空闲变量的指针，若学员不存在则返回nullptr

删除学员信息

Student *remove(int id) {




}

总结

本节内容

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 20px
---
mindmap
结构体
  结构体的定义与初始化
    结构体定义
    结构体内存布局
    结构体初始化
  使用结构体
    访问成员变量
      对象成员运算符
      指针成员运算符
    结构体与函数
      结构体作为函数参数
      返回结构体
    结构体数组
  学员信息管理系统

学习目标

理解结构体的内存布局
掌握结构体的定义与使用
应用结构体解决复杂数据的组织与管理

课后作业

实训
- C&C++结构实训（截止时间2025.04.16）
- 综合练习—C&C++结构（截止时间2025.04.21）
预习
- 教材8.3–8.4 联合与枚举

计算机程序设计