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在 C 語言中，結(jié)構(gòu)體（struct）是一個或多個變量的集合，這些變量可能為不同的類型，為了處理的方便而將這些變量組織在一個名字之下。由于結(jié)構(gòu)體將一組相關(guān)變量看作一個單元而不是各自獨立的實體，因此結(jié)構(gòu)體有助于組織復(fù)雜的數(shù)據(jù)，特別是在大型的程序中。
共用體（union），也稱為聯(lián)合體，是用于（在不同時刻）保存不同類型和長度的變量，它提供了一種方式，以在單塊存儲區(qū)中管理不同類型的數(shù)據(jù)。
今天，我們來介紹一下 C 語言中結(jié)構(gòu)體和共用體的相關(guān)概念和使用。
聲明一個結(jié)構(gòu)體類型的一般形式為：
struct 結(jié)構(gòu)體名 {
成員列表
};
其中，成員列表中對各成員都應(yīng)進(jìn)行類型聲明，即：
類型名 成員名;
例如，我們需要在程序中記錄一個學(xué)生（student）的數(shù)據(jù)，包括學(xué)號（num）、姓名（name）、性別（sex）、年齡（age）、成績（score）、地址（addr）等，如下圖所示：
如果要表示圖中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但 C 語言并沒有提供這種現(xiàn)成的數(shù)據(jù)類型，因此我們需要用定義一種結(jié)構(gòu)體類型來表示。
truct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
};
上述定義了一個新的結(jié)構(gòu)體類型 struct student（注意，struct 是聲明結(jié)構(gòu)體類型時所必須使用的關(guān)鍵及，不能省略），它向編譯系統(tǒng)聲明，這是一個“結(jié)構(gòu)體類型”，它包括 num、name、sex、age、score、addr 等不同類型的數(shù)據(jù)項。
應(yīng)當(dāng)說，這里的 struct student 是一個類型名，它與系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)類型（如 int、char、float、double 等）具有同樣的作用，都可以用來定義變量的類型。
前面只是聲明了一個結(jié)構(gòu)體類型，它相當(dāng)于一個模型，但其中并無具體的數(shù)據(jù)，編譯系統(tǒng)對其也不分配實際的內(nèi)存單元。為了能在程序中使用結(jié)構(gòu)體類型的數(shù)據(jù)，我們應(yīng)當(dāng)定義結(jié)構(gòu)體類型的變量，并在其中存放具體的數(shù)據(jù)。主要以下 3 中方式定義結(jié)構(gòu)體類型變量：
結(jié)構(gòu)體類型名 結(jié)構(gòu)體變量名;
例如上面我們已經(jīng)定義了一個結(jié)構(gòu)體類型 struct student，就可以用它來聲明變量：
struct student student1, student2;
定義了 student1 和 student2 為 struct student 類型的變量，它們具有 struct student 類型的結(jié)構(gòu)，后續(xù)我們可以對它們進(jìn)行初始化。
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
} student1, student2;
它的作用與第一種方法相同，即定義了兩個 struct student 類型的變量 student1、student2。這種形式的定義的一般形式為：
struct 結(jié)構(gòu)體名 {
成員列表
} 變量名列表;
struct {
成員列表
} 變量名列表;
關(guān)于結(jié)構(gòu)體類型，需要補(bǔ)充說明一點：
類型與變量是不同的概念，不要混淆。我們只能對變量賦值、存取或運算，而不能對一個類型進(jìn)行賦值、存取或運算。在編譯時，對類型是不分配空間的，只對變量分配空間。
簡單地說，我們可以把“結(jié)構(gòu)體類型”和“結(jié)構(gòu)體變量”理解為是面向?qū)ο笳Z言中“類”和“對象”的概念。
此外，結(jié)構(gòu)體里的成員也可以是一個結(jié)構(gòu)體變量。比如我們先聲明了一個結(jié)構(gòu)體 struct date：
struct date {
int month;
int day;
int year;
};
然后把它應(yīng)用于聲明 struct student 中：
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
struct date birthday;
char addr[30];
} student1, student2;
最后，解釋一個在閱讀大型開源代碼（比如 Objective-C Runtime 源碼）時容易產(chǎn)生疑問的點：如下兩個結(jié)構(gòu)體 SampleA 和 SampleB 聲明的變量在內(nèi)存上其實是完全一樣的，原因是因為結(jié)構(gòu)體本身并不帶有任何額外的附加信息：
struct SampleA {
int a;
int b;
int c;
};
struct SampleB {
int a;
struct Part1 {
int b;
};
struct Part2 {
int c;
};
};
引用結(jié)構(gòu)體變量中成員的方式為：
結(jié)構(gòu)體變量名.成員名
例如，student1.num 表示 student1 變量中 num 成員，我們可以對結(jié)構(gòu)體變量的成員進(jìn)行賦值：student1.num = 10010;。
如果成員本身又屬于一個結(jié)構(gòu)體類型，則要用若干個成員運算符（點號 .），一級一級地找到最低一級的成員，例如：
student1.birthday.month = 9;
另外對結(jié)構(gòu)體變量的成員可以像普通變量一樣進(jìn)行各種運算，也可以用取址運算符 & 引用結(jié)構(gòu)體變量成員的地址，或者引用結(jié)構(gòu)體變量的地址。
和其他類型變量一樣，對結(jié)構(gòu)體變量可以在定義時指定其初始值，用大括號括起來：
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
char addr[30];
} a = {10010, 'Li Lei', 'M', 18, 'Beijing Haidian'};
如果一個數(shù)組的元素為結(jié)構(gòu)體類型，則稱其為“結(jié)構(gòu)體數(shù)組”。結(jié)構(gòu)體數(shù)組與之前介紹的數(shù)值型數(shù)組的不同之處在于每個數(shù)組元素都是一個結(jié)構(gòu)體類型的數(shù)據(jù)，它們都分別包括各個成員項。
和定義結(jié)構(gòu)體變量的方法類似，只需聲明其為數(shù)組即可，例如：
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
};
struct student stu[3];
以上定義了一個數(shù)組 stu，數(shù)組有 3 個元素，均為 struct student 類型數(shù)據(jù)，如下圖：
與其他類型的數(shù)組一樣，對結(jié)構(gòu)體數(shù)組可以初始化，例如：
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
} stu[3] = {{10101, 'Li Lin', 'M', 18, 87.5, 'Beijing'},
{10102, 'Amey', 'M', 17, 92, 'Shanghai'},
{10103, 'Bingo', 'F', 20, 100, 'Fujian'}};
從上面可以看到，結(jié)構(gòu)體數(shù)組的初始化的一般形式是在定義數(shù)組的后面加上“={初值表列};”。
結(jié)構(gòu)體數(shù)組中各元素在內(nèi)存中也是連續(xù)存放的，如下圖：
一個結(jié)構(gòu)體變量的指針就是該變量所占據(jù)的內(nèi)存段的起始地址?？梢栽O(shè)一個指針變量，用來指向一個結(jié)構(gòu)體變量，此時該指針變量的值是結(jié)構(gòu)體變量的起始地址。指針變量也可以用來指向結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的元素。
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
};
struct student stu1 = {...};
struct student * p;
p = &stu1;
上述代碼先聲明了 struct student 結(jié)構(gòu)體類型，然后定義一個 struct student 類型的變量 stu1，同時又定義了一個指針變量 p，它指向一個 struct student 類型的數(shù)據(jù)，最后把結(jié)構(gòu)體變量 stu1 的起始地址賦給指針變量 p，如圖所示：
此時可以用 *p 來訪問結(jié)構(gòu)體變量 stu1 的值，用 (*p).num來訪問 stu 的成員變量。C 語言為了使用方便和直觀，定義可以把 (*p).num 改用 p->num 來代替，它表示 p 所指向的結(jié)構(gòu)體變量中的 num 成員。
也就是說，以下 3 種形式等價：
結(jié)構(gòu)體變量.成員名：stu1.num
(*指針變量名).成員名：(*p).num
指針變量名->成員名：p->num
指向結(jié)構(gòu)體數(shù)組的指針對于結(jié)構(gòu)體數(shù)組及其元素也可以用指針變量來指向，例如：
struct student {
int num;
char name[20];
char sex;
int age;
float score;
char addr[30];
};
struct student stu[3] = {{10101, 'Li Lin', 'M', 18, 87.5, 'Beijing'},
{10102, 'Amey', 'M', 17, 92, 'Shanghai'},
{10103, 'Bingo', 'F', 20, 100, 'Fujian'}};
struct student *p = stu;
此時，指針變量 p 指向數(shù)組首個元素的地址，即 &stu[0]，也就是數(shù)組名 stu。
（1）函數(shù)參數(shù)：用指向結(jié)構(gòu)體變量（或數(shù)組）的指針作實參，將結(jié)構(gòu)體變量（或數(shù)組）的地址傳給形參。
void printStudentInfo(struct student *p);
因為如果我們直接用結(jié)構(gòu)體變量（不是結(jié)構(gòu)體指針）作為實參時，由于采取的是“值傳遞”的方式，將結(jié)構(gòu)體變量所占用的內(nèi)存單元的內(nèi)容全部順序傳遞給形參，形參也必須是同類型的結(jié)構(gòu)體變量。
在函數(shù)調(diào)用期間，形參也要占用內(nèi)存單元，這種傳遞方式將帶來較大的時間和空間開銷，同時也不利于將在函數(shù)執(zhí)行期間改變形參結(jié)構(gòu)體的值（結(jié)果）返回給主調(diào)函數(shù)，因此一般比較少直接“用結(jié)構(gòu)體變量做實參”，而是改用指針的形式。
（2）鏈表
鏈表是一種常見的且很重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般用于動態(tài)地進(jìn)行存儲分配。常見的有單鏈表和雙鏈表等，一般可以用結(jié)構(gòu)體來表示鏈表的節(jié)點，如下為常見的“單鏈表”節(jié)點的聲明：
struct ListNode {
int val;
struct ListNode *next;
};
其中，val 表單鏈表節(jié)點的值，next 指針用于指向鏈表的下一個節(jié)點。
例如，面試比較?？疾斓摹胺崔D(zhuǎn)單鏈表”的題目：
struct ListNode *reverseList(struct ListNode *head) {
if (head == NULL) {
return NULL;
}
if (head->next == NULL) {
return head;
}
struct ListNode *reversedHead = NULL;
struct ListNode *prevNode = NULL;
struct ListNode *currentNode = head;
while (currentNode != NULL) {
struct ListNode *nextNode = currentNode->next;
if (nextNode == NULL) {
reversedHead = currentNode;
}
currentNode->next = prevNode;
prevNode = currentNode;
currentNode = nextNode;
}
return reversedHead;
}
（3）二叉樹
struct TreeNode {
int val;
struct TreeNode *left;
struct TreeNode *right;
};
其中 val 表示二叉樹葉子節(jié)點的值，left 指向節(jié)點的左子樹，right 指向右子樹。
例如，之前鬧得沸沸揚揚的 Google 面試“翻轉(zhuǎn)二叉樹”的題目：
struct TreeNode *invertTree(struct TreeNode *root) {
if (root == NULL) {
return NULL;
}
root->left = invertTree(root->left);
root->right = invertTree(root->right);
struct TreeNode *temp = root->left;
root->left = root->right;
root->right = temp;
return root;
}
前面介紹，鏈表結(jié)構(gòu)是動態(tài)地分配存儲的，即在需要時才開辟一個節(jié)點的存儲單元。那么，怎樣動態(tài)地開辟和釋放存儲單元呢？C 語言編譯系統(tǒng)的庫函數(shù)提供了以下相關(guān)函數(shù)。
void * malloc(unsigned size);
其作用是在內(nèi)存的動態(tài)存儲區(qū)（堆）中分配一個長度為 size 的連續(xù)空間，此函數(shù)的返回值是一個指向分配域起始地址的指針（類型為 void *，即空指針類型，使用時可轉(zhuǎn)換為其他指針數(shù)據(jù)類型）。如果此函數(shù)未能成功地執(zhí)行（例如內(nèi)存空間不足時），則返回空指針 NULL。
使用示例：
int *result = malloc(2 * sizeof(int));
struct ListNode *node = malloc(sizeof(struct ListNode));
上述 result 是一個分配在堆上的長度為 2 的數(shù)組，它與 int result[2]; 的區(qū)別是后者分配在內(nèi)存棧區(qū)。而 node 是指向一個 struct ListNode 類型的數(shù)據(jù)（同樣已分配在堆上）的起始地址的指針變量。
void * calloc(unsigned n, unsigned size);
其作用是在內(nèi)存的動態(tài)存儲區(qū)中分配 n 個長度為 size 的連續(xù)空間，函數(shù)返回一個指向分配域起始地址的指針，如果分配不成功，返回 NULL。
void * realloc(void *p, unsigned size);
其作用是將 p 所指向的已分配的動態(tài)內(nèi)存區(qū)域的大小重新改為 size，size 可以比原來分配的空間大或小。該函數(shù)返回指向所分配的內(nèi)存區(qū)起始地址的指針，同樣，如果分配不成功，返回 NULL。
如果傳入的 p 為 NULL，則它的效果和 malloc 函數(shù)相同，即分配 size 字節(jié)的內(nèi)存空間。
如果傳入 size 的值為 0，那么 p 指向的內(nèi)存空間就會被釋放，但是由于沒有開辟新的內(nèi)存空間，所以會返回空指針 NULL，類似于調(diào)用 free 函數(shù)。
void free(void *p);
其作用是釋放 p 所指向的內(nèi)存區(qū)，使這部分內(nèi)存區(qū)能被其他變量使用，p 一般為調(diào)用上述幾個函數(shù)返回的值。free 函數(shù)無返回值。
有時，我們需要使幾種不同類型的變量存放到同一段內(nèi)存單元中。例如，可以把一個整型變量（2 個字節(jié)）、一個字符型變量（1 個字節(jié)）、一個實型變量（4 個字節(jié)）放在同一開始地址的內(nèi)存單元中，如下圖所示：
以上 3 個變量在內(nèi)存中占的字節(jié)數(shù)不同，但都從同一地址開始存放，也就是幾個變量相互覆蓋。這種使幾個不同的變量共占同一段內(nèi)存的結(jié)構(gòu)，稱為“共用體”類型的結(jié)構(gòu)，也稱為“聯(lián)合體”。
定義共用體類型變量的一般形式為：
union 共用體名 {
成員列表
} 變量
列表;例如：
union data {
int i;
char c;
float f;
} a, b, c;
也可以將類型聲明與變量的定義分開：
union data {
int i;
char c;
float f;
};
union data a, b, c;
即先聲明一個 union data 類型，再將 a, b, c 定義為 union data 類型。此外，也可以省略共用體名直接定義共用體變量：
union {
int i;
char c;
float f;
} a, b, c;
可以看到，“共用體”與“結(jié)構(gòu)體”的定義形式相似，但它們的含義是不同的：
與結(jié)構(gòu)體類似，共用體變量中成員的引用方式為：
共用體變量名.成員名
只有先定義了共用體變量才能引用它，而且不能直接引用共用體變量，只能引用共用體變量中的成員。例如，前面定義了共用體變量 a，則：
a.i 表示引用共用體變量中的整型變量 ia.c 表示引用共用體變量中的字符型變量 ca.f 表示引用共用體變量中的實型變量 f但不能只引用共用體變量，例如 printf('%d', a); 是錯誤的，因為 a 的存儲區(qū)有好幾種類型，分別占不同長度的字節(jié)，僅寫共用體變量名 a，難以使系統(tǒng)確定究竟輸出的哪一個成員的值。
在使用共用體類型數(shù)據(jù)時，應(yīng)當(dāng)注意以下一些特點：
同一個內(nèi)存段可以用來存放幾種不同類型的成員，但在每一瞬時只能存放其中一種，而不是同時存放幾種。也就是說，每一瞬時只有一個成員起作用，其它的成員不起作用，即：共用體中的成員不是同時都存在和起作用的。
共用體變量中起作用的成員是最后一次存放的成員，在存入一個新的成員后，原有的成員就失去作用了。例如有如下賦值語句：
a.i = 1;
a.c = 'F';
a.f = 2.5;
在執(zhí)行完以上 3 條賦值語句后，此時只有 a.f 是有效的，而 a.i 和a.c 已經(jīng)無意義了。因此在引用共用體變量的成員時，程序員自己必須十分清楚當(dāng)前存放在共用體變量中的究竟是哪個成員。
共用體變量的地址和它的各成員的地址都是同一地址，例如 &a、&a.i、&a.c、&a.f 都是同一個地址值，其原因是顯然的。
不能直接對共用體變量名賦值，也不能企圖引用變量名來得到一個值，同時也不能在定義共用體變量時對它初始化。例如，以下這些都是不對的：
union {
int i;
char c;
float f;
} a = {1, 'a', 1.5}; // 不能對共用體初始化
a = 1; // 不能對共用體變量賦值
m = a; // 不能引用共用體變量名以得到一個值
不能把共用體變量作為函數(shù)參數(shù)，也不能使函數(shù)返回共同體類型的變量，但可以使用指向共用體變量的指針（與結(jié)構(gòu)體變量的指針用法類似，不再贅述）。
共用體類型可以出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)體類型定義中，也可以定義共用體數(shù)組。反之，結(jié)構(gòu)體也可以出現(xiàn)在共用體類型定義中，數(shù)組也可以作為共用體的成員。
共用體總感覺像是計算機(jī)發(fā)展早期，內(nèi)存寸土寸金的遺留產(chǎn)物。
本文簡要介紹了 C 語言中結(jié)構(gòu)體和共用體的概念及其應(yīng)用，如有不當(dāng)之處，歡迎指出。
