C++ 结构体详解

1. struct 基本定义

在 C++ 中，struct（结构体）是一种用户自定义的数据类型，它允许我们将不同类型的数据项（成员）组合成一个单一的实体。默认情况下，结构体的所有成员和继承都是公有的（public）。

这使得结构体特别适合用于组织相关的数据，例如一个点的坐标、一个学生的信息等。

// 定义一个表示二维点的结构体
struct Point {
    int x;  // x 坐标 (通常占 4 字节)
    int y;  // y 坐标 (通常占 4 字节)
}; // 注意：定义末尾需要分号

// 使用结构体
Point p1; // 声明一个 Point 类型的变量 p1
p1.x = 10; // 访问并设置成员 x
p1.y = 20; // 访问并设置成员 y

2. struct vs union

struct 和 union（联合体）都允许组合不同类型的成员，但它们在内存管理上截然不同：

• struct：为其所有成员分配足够的、独立的内存空间。结构体的大小至少是其所有成员大小的总和（可能因内存对齐而更大）。
• union：所有成员共享同一块内存区域。联合体的大小由其最大的成员决定。在任何时候，只有一个成员可以被有效存储和访问。

union 常用于节省内存（当不同类型数据不会同时使用时）或实现类型“双关”（type punning，但不推荐）。

3. struct vs class

在 C++ 中，struct 和 class 功能上几乎等价，都可以包含数据成员、成员函数、构造函数、析构函数、继承等。最主要的区别在于**默认访问权限**和**默认继承权限**：

struct S {
    int data; // 默认 public
};

S myStruct;
myStruct.data = 10; // 尝试从外部访问

class C {
    int data; // 默认 private
    // public: // 需要显式声明 public 区域
    //  void setData(int d) { data = d; }
};

C myClass;
// myClass.data = 20; // 尝试从外部访问

实践建议：虽然技术上可以混用，但通常遵循语义约定：使用 struct 表示主要关心数据集合本身，使用 class 表示需要封装、维护不变量、提供接口的对象。

4. struct 高级用法

C++ 的 struct 非常灵活，远不止包含简单数据成员：

struct Address {
    std::string city;
    std::string street;
};

struct Person {
    std::string name;
    int age;
    Address addr; // 嵌套 Address 结构体
};

struct Rectangle {
    int width = 0; // C++11 起支持成员初始化
    int height = 0;

    // 成员函数 (方法)
    int area() const { // const 表示此方法不修改成员变量
        return width * height;
    }

    void resize(int w, int h) {
        width = w;
        height = h;
    }
};

别名 (typedef / using)

为了方便或兼容 C 风格，可以为结构体类型创建别名：

// C++98/03 风格 (常用于 C 兼容)
typedef struct Point3D {
    double x, y, z;
} Vec3; // Vec3 是 Point3D 的别名

// C++11 及以后推荐使用 using
struct Color { int r, g, b; };
using RGBColor = Color; // RGBColor 是 Color 的别名

Vec3 v;    // 等同于 Point3D v;
RGBColor c; // 等同于 Color c;

5. 练习与巩固

5.2 编程练习

6. 注意事项与陷阱

• 内存对齐 (Padding): 编译器可能会在结构体成员之间或末尾插入额外的填充字节（padding），以确保成员变量按照特定边界对齐（如 4 字节或 8 字节），这可以提高访问效率。因此，sizeof(MyStruct) 可能大于其所有成员大小的简单总和。

  struct Example {
      char c1;    // 1 byte
      // 3 bytes padding?
      int i;      // 4 bytes
      char c2;    // 1 byte
      // 3 bytes padding?
  }; // sizeof(Example) 可能是 12 而不是 1+4+1=6

  可以使用 #pragma pack 或特定编译器属性来控制对齐，但这通常不推荐，除非有特定需求（如与硬件或固定格式文件交互）。
• Union 的危险性: 访问联合体中并非“当前活跃”（即最后一次被赋值）的成员，其行为在 C++ 标准中是未定义的（或实现定义的，取决于具体情况）。这意味着结果可能不可预测，或者在不同编译器/平台上表现不同。必须确保你知道哪个成员是有效的。

  union Data { int i; float f; };
  Data d;
  d.f = 3.14f;
  // int x = d.i; // 读取 i 的行为未定义/实现定义!
  // 必须知道最后写入的是 f

  现代 C++ 推荐使用 std::variant (C++17) 或 std::any (C++17) 来更安全地处理类型不确定的值。
• Struct vs Class 的语义选择: 尽管功能相似，选择 struct 还是 class 应该反映你的设计意图。
  • 用 struct 表示一个主要由数据组成的、其成员逻辑上可以公开访问的简单聚合体。
  • 用 class 表示一个具有行为、需要维护内部状态（不变量）、并对外提供受控接口的对象，其实现细节应该被隐藏（封装）。
  遵循这个约定能让代码更易于理解和维护。

7. 知识延伸

• POD (Plain Old Data) 类型: 这是一个 C++ 术语，大致指那些可以用 C 语言方式处理的简单数据结构（没有虚函数、虚基类、非静态成员的引用、用户定义的构造/析构/拷贝/移动操作等）。struct 常用于定义 POD 类型。C++11 之后，POD 的概念被更精确地分解为 *Trivial* 和 *Standard-layout* 类型。可以使用类型萃取 (type traits) 如 std::is_trivial::value 和 std::is_standard_layout::value (在 头文件) 来检查一个类型是否满足这些属性。POD 类型在底层编程、序列化、与 C 代码交互时很重要。
• 内存映射与网络协议: 由于 struct 可以精确控制（或至少预测）内存布局（特别是使用 POD 类型和可能的对齐控制），它们经常用于直接映射硬件寄存器、文件格式或网络协议数据包的结构。
• C++11 及以后的增强:
  • 成员初始化: 可以在 struct 定义中直接为非静态成员提供默认值 (如 `int x = 0;`)。
  • 聚合初始化 (Aggregate Initialization): 对于没有用户声明构造函数的聚合类型（包括许多 struct），可以使用花括号 {} 进行初始化，如 Point p = {10, 20};。C++20 甚至放宽了聚合初始化的条件。
  • constexpr 构造函数和成员函数: 如果满足条件，struct 可以拥有 constexpr 构造函数和成员函数，允许在编译时创建和操作结构体对象。
  • 委托构造函数: 一个构造函数可以调用同一类型的另一个构造函数。
• std::tuple vs struct: 对于固定数量、类型可能不同的数据集合，std::tuple (来自 头文件) 提供了另一种选择。tuple 的成员通过索引 (std::get<0>(myTuple)) 访问，而 struct 的成员通过名称访问，通常更具可读性。

8. 总结

恭喜你完成了 C++ 结构体的学习！回顾一下关键点：