C 语言自定义数据结构

概述

C语言自定义数据结构是指程序员通过组合基本数据类型（如int、float、char等）和复合类型（如数组、指针、结构体等）创建的符合特定需求的数据组织形式。与内置数据类型不同，自定义数据结构能够更精确地描述现实世界中的复杂关系，是构建高效算法的基石。

在C语言中，自定义数据结构主要通过以下方式实现：

• 结构体（struct）：将不同类型的数据聚合为一个逻辑单元
• 联合体（union）：共享内存空间的不同类型表示
• 枚举（enum）：定义命名的整数常量集合
• 类型定义（typedef）：为现有类型创建别名

基本语法

结构体定义

结构体是C语言中实现自定义数据结构最常用的工具，语法如下：

struct 结构体标签 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    // ...
};

示例：定义一个表示二维点的结构体

struct Point {
    float x;
    float y;
};

类型定义（typedef）

typedef可为结构体创建更简洁的类型名：

typedef struct {
    char name[50];
    int age;
} Person;

内存布局

classDiagram class Point { -float x -float y } note for Point "内存连续分配\nsizeof(Point) = 8字节"

结构体成员在内存中按声明顺序连续排列，对齐方式受系统架构影响。计算结构体大小时需考虑内存对齐原则：

解析失败 (语法错误): {\displaystyle 结构体大小 = \sum_{i=1}^{n}(成员大小) + 填充字节 }

操作自定义数据结构

初始化与访问

// 声明并初始化
struct Point p1 = {3.5, 2.8};

// 逐个成员赋值
Person student;
strcpy(student.name, "Alice");
student.age = 20;

// 通过指针访问
struct Point *ptr = &p1;
printf("x坐标: %.2f\n", ptr->x);

复杂结构示例：链表节点

typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} ListNode;

// 创建链表
ListNode* createList(int values[], int size) {
    ListNode *head = NULL, *current = NULL;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        ListNode *newNode = (ListNode*)malloc(sizeof(ListNode));
        newNode->data = values[i];
        newNode->next = NULL;
        
        if (head == NULL) {
            head = newNode;
        } else {
            current->next = newNode;
        }
        current = newNode;
    }
    return head;
}

高级应用

位域结构体

用于精确控制内存中的位级存储：

struct PackedData {
    unsigned int flag1 : 1;  // 1位
    unsigned int flag2 : 3;  // 3位
    unsigned int count : 12; // 12位
};

自引用结构体

实现树形结构的关键技术：

typedef struct TreeNode {
    int value;
    struct TreeNode *left;
    struct TreeNode *right;
} BinaryTree;

实际案例：学生管理系统

以下示例展示如何使用自定义数据结构构建简单学生管理系统：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    char id[10];
    char name[50];
    float gpa;
} Student;

void printStudent(const Student *s) {
    printf("学号: %s\n姓名: %s\nGPA: %.2f\n\n", 
           s->id, s->name, s->gpa);
}

int main() {
    Student class[3] = {
        {"2023001", "张三", 3.45},
        {"2023002", "李四", 3.78},
        {"2023003", "王五", 4.00}
    };
    
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printStudent(&class[i]);
    }
    
    return 0;
}

输出：

学号: 2023001
姓名: 张三
GPA: 3.45

学号: 2023002
姓名: 李四
GPA: 3.78

学号: 2023003
姓名: 王五
GPA: 4.00

最佳实践

1. 命名规范：使用有意义的名称，如StudentRecord而非Data 2. 内存管理：动态分配的结构体要记得释放 3. 封装性：通过函数操作结构体而非直接访问成员 4. 文档注释：为每个自定义类型编写使用说明

常见错误

• 忘记结构体指针使用->而非.操作符
• 未初始化结构体指针就访问成员
• 忽略结构体拷贝是浅拷贝（shallow copy）的事实
• 跨平台开发时未考虑结构体对齐差异

性能考虑

• 按访问频率排序成员（高频访问的放前面）
• 合理使用#pragma pack控制对齐方式
• 大数据集合考虑使用指针数组而非结构体数组

通过掌握自定义数据结构，C语言程序员可以构建出适应各种复杂场景的高效数据模型，这是从初级迈向高级编程的关键一步。