C 程序设计教程（04）—— C 语言的数据类型（二）：构造数据类型

C 程序设计教程（04）—— C 语言的数据类型（二）：构造数据类型

该专栏主要介绍 C 语言的基本语法，作为《程序设计语言》课程的课件与参考资料，用于《程序设计语言》课程的教学，供入门级用户阅读。

我们已经学过 int、char、float、double 等基本数据类型，这些数据类型只能表示某些特定的数据，不能完全表示现实中所有事物。例如：表示一个人的特征，则这个人的姓名、年龄、性别等信息就无法用基本数据类型来完成。因此，C 语言提供了构造类型。

C 语言中的构造数据类型包括：数组类型、结构体类型、共用体类型和枚举类型。

一、数组类型

数组是一个由若干相同类型的变量组成的集合，引用这些变量时可以使用同一个名称。数组由连续的存储单元组成，最低地址对应于数组的第一个元素，最高地址对应于数组的最后一个元素，数组可以是一维、二维和多维数组。

1、数组的定义

数组的定义格式如下：

type array_name[size];       //一维数组
type array_name[size][size]; //二维数组

说明：

（1）在定义数组时，数组的元素个数（[size]）必须是常数（C99标准支持变长数组，但大多编译器是不支持的）。

（2）对于 m 行 n 列的二维数组，可以理解为该二维数组有 m 个元素，每个元素是一个有 n 个元素的一维数组。

2、数组的初始化

数组的初始化就是给数组元素赋初始值，数组使用 { } 初始化，在大小给定的情况下，可以完全初始化，也可以不完全初始化（其余元素默认为 0）。在大小没有给定的情况下根据初始化内容确定数组的大小。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    int i,j;
	int arr1[10]={
    
    1,2,3,4,5,6,7,8,9,0}; //完全初始化，定义包含10个整型元素的数组，10个数组元素都已赋初值
    int arr2[10]={
    
    1,2,3};  //不完全初始化，定义的数组有10个元素，但只给定了3个值，其余7个值默认为0
    int arr3[]={
    
    1,2,3};    //数组大小未给定，根据初始化内容确定数组大小（含有三个整型元素）
    int arr4[2][3]={
    
    {
    
    0,1,2},{
    
    3,4,5}}; //完全初始化，二维数组可以看作若干个一维数组，分别初始化
    int arr5[][3]={
    
    {
    
    0,1,2},{
    
    3,4,5}};  //省略行数
    // int arr6[2][]={
    
    {0,1,2},{3,4,5}};  //错误！列数不可省略，编译器编不过去

    printf("arr1: ");
    for(i=0;i<10;i++)
    {
    
    
        printf("%d  ",arr1[i]);
    }
    printf("\n\n");      

    printf("arr2: ");
    for(i=0;i<10;i++)
    {
    
    
        printf("%d  ",arr2[i]);
    }
    printf("\n\n");  
    
    printf("arr3: ");
	for(i=0;i<3;i++)  
    {
    
    
        printf("%d  ",arr3[i]);
    }
    printf("\n\n");  

    printf("arr4: ");
	for(i=0;i<2;i++) 
    {
    
    
        for(j=0;j<3;j++) 
		printf("%d  ",arr4[i][j]);
		printf("\n");
    }
    printf("\n"); 
	   
    printf("arr5: ");
	for(i=0;i<2;i++) 
    {
    
    
        for(j=0;j<3;j++) 
		printf("%d  ",arr5[i][j]);
		printf("\n");
    }
    return 0;
}

说明：二维数组可以省略行数，但不可省略列数。

上述程序的运行结果如下：

3、数组元素的访问

数组通过下标引用操作符（[ ]）实现对数组元素的访问。比如：arr[1] 代表数组 arr 中下标为 1 的元素，arr[i] 代表数组中下标为 i 的元素。数组元素的下标是从 0 开始的。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    int i;
    int arr[10];
	for(i=0;i<10;i++)
	{
    
    
		arr[i]=i*2+1;
	}
	
	printf("arr: ");
	for(i=0;i<10;i++)
	{
    
    
		printf("%d  ",arr[i]);
	}
    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

4、数组的存储

无论是一维数组还是二维数组，数组内的元素在内存中是连续存储的，相邻的两个元素之间的地址都相差一个固定的值（值的大小和数组元素的类型有关。如果数组元素类型是 int，则相差 4 个字节）。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    int i,j;
    int arr1[]={
    
    1,2,3,4,5,6};
    int arr2[3][5]={
    
    {
    
    1,2,3,4,5},
	    {
    
    11,22,33,44,55},
		{
    
    111,222,333,444,555}};
    printf("输出arr1的地址：\n");
	for(i=0;i<6;i++)
	{
    
    
		printf("arr1[%d]:%p\n",i,&arr1[i]);
	}

    printf("输出arr2的地址：\n");
	for(i=0;i<3;i++)
	{
    
    
		for(j=0;j<5;j++)
		{
    
    
			printf("arr2[%d][%d]:%p\n",i,j,&arr2[i][j]);
		}		
	}	

    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

5、关于数组名

数组名是第一个数组元素的地址。当求 sizeof(数组名) 时，得到的是整个数组所占空间的大小；&数组名，是整个数组的地址。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    int arr1[5]={
    
    1,2,3,4,5};
    int arr2[2][3]={
    
    {
    
    1,2,3},{
    
    4,5,6}};
    //结果：20（5个元素，每个元素4个字节）
    printf("arr1的大小：%d\n",sizeof(arr1)); 
	//结果：24（整个数组大小）
    printf("arr2的大小：%d\n",sizeof(arr2)); 
	//结果：12（arr2[0]也是数组名，是二维数组第一行元素的数组名）
    printf("arr2[0]的大小：%d\n",sizeof(arr2[0]));
    //以下三个地址一样，但是第三个含义与前两个不一样
    printf("arr1的地址：%p\n",arr1);
    printf("第一个元素的地址：%p\n",&arr1[0]);
    printf("整个数组的地址：%p\n",&arr1);
    //前两个地址一样（都是arr1[1]的地址）
	printf("arr1+1的地址：%p\n",arr1+1);
    printf("arr1[0]+1的地址：%p\n",&arr1[0]+1);
    //&arr是整个数组的地址，+1跳过整个数组
    printf("&arr1+1的地址：%p\n",&arr1+1);
    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

6、字符串的表示

C 语言并没有字符串类型，但允许使用字符串常量。字符串常量是用一对双引号括起来的一串字符。例如：

“China”、“OS”、“yes”、"0373-3048111"等。

字符串常量在存储时，系统自动在字符串的末尾加一个“字符串结束标志”（即：ASCII 码为 0 的字符 NULL），常用“\0”表示。因此，程序中长度为 n 个字符的字符串常量，在内存中占用 n+1 个字节的存储空间。

在定义字符型数组时，必须比要存放的最大字符数多一个字符。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    char str[20]="I am a student.";
    printf("%s\n",str);
    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

7、字符数组的赋值

定义字符数组时可以同时对数组进行初始化，但定义完成后，就不能按初始化的形式对其赋值了。例如：

char a[10]="abcdefgh";  //正确
char b[10];
b="abcdefgh";           //错误

（1）单字符赋值：通过数组下标方式或指针方式，引用数组元素，进行赋值。

（2）字符串赋值：使用 string.h 头文件中的字符串操作函数（strcpy）进行赋值。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	//单字符赋值 
	char a[10];
	a[0]='C';a[1]='h';a[2]='i';a[3]='n';a[4]='a';
	//字符串赋值
	char b[10];
	strcpy(b,"abcdefgh");
	printf("数组a的内容: %s\n",a);
	printf("数组b的内容: %s\n",b);
	return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

二、结构体类型

结构体是由一组称为成员（成员变量）的不同数据所组成的，其中每个成员可以具有不同的类型。结构体通常用来表示类型不同但是又相关的若干数据。

结构体的成员可以是数组、指针变量、甚至是其他结构体，一般描述复杂对象时用到结构体。

结构体采用关键字 struct 来进行构建。

1、结构体类型

例如：成绩表的结构如下：

班级	学号	姓名	操作系统	数据结构	计算机网络
字符串	长整型	字符串	实型	实型	实型

通讯录的结构如下：

姓名	工作单位	家庭住址	邮编	电话号码	E-mail
字符串	字符串	字符串	字符串	字符串	字符串

把成绩和通讯录定义为结构体类型：

//结构体类型的定义格式：
struct 结构体名称
{
    
    
    成员列表
};

//定义“成绩”结构体
struct score
{
    
    
    char grade[20];  //班级
    long number;     //学号
    char name[20];   //姓名
    float os;        //操作系统
    float datastru;  //数据结构
    float compnet;   //计算机网络
};

//定义“通讯录”结构体
struct addr
{
    
    
    char name[20];         //姓名
    char department[30];   //工作单位
    char address[30];      //家庭住址
    char box[6];           //邮编
    char phone[20];        //电话
    char email[50];        //E-mail
};

2、结构体类型变量的定义

结构体类型变量的定义与其他类型的变量的定义相同，但结构体类型需要预先定义。结构体变量的定义有三种形式：

（1）先定义结构体类型，再定义结构体类型变量

//定义“成绩”结构体
struct score
{
    
    
    char grade[20];  //班级
    long number;     //学号
    char name[20];   //姓名
    float os;        //操作系统
    float datastru;  //数据结构
    float compnet;   //计算机网络
};
struct score student1,student2;  //定义结构体类型变量

（2）定义结构体类型同时定义结构体变量

struct score
{
    char grade[20];  //班级
    long number;     //学号
    char name[20];   //姓名
    float os;        //操作系统
    float datastru;  //数据结构
    float compnet;   //计算机网络
} score student1,student2;  //定义结构体类型变量
struct score student3;      //定义其他变量

（3）直接定义结构体类型变量

这种定义方式由于没有为结构体类型指定名称，则只能使用一次。不能再次定义该结构体类型的其他变量。

struct 
{
    
    
    char grade[20];  //班级
    long number;     //学号
    char name[20];   //姓名
    float os;        //操作系统
    float datastru;  //数据结构
    float compnet;   //计算机网络
} student1,student2;  //定义结构体类型变量

3、结构体变量的初始化

结构体变量的初始化采用 { }，成员变量间用逗号隔开便可。例如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
	struct score
	{
    
    
	    char grade[20];  //班级
    	long number;     //学号
    	char name[20];   //姓名
    	float os;        //操作系统
    	float datastru;  //数据结构
    	float compnet;   //计算机网络
	};
	struct score s1={
    
    "xinguan211",2021021401,"tom",87.5,90.0,87.0};    //定义结构体类型变量
	printf("%s\n%d\n%s\n%lf\n%lf\n%lf\n",s1.grade,s1.number,s1.name,s1.os,s1.datastru,s1.compnet);
	return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

4、结构体成员的访问

（1）采用点操作符（.）访问结构体成员

相同结构体类型的结构体能够相互赋值：如有 struct stu s1,s2; 就可以有s1=s2，不同结构体类型的结构体不能相互赋值。结构体成员引用的一般格式：结构体变量名.成员名。例如：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	struct stu
	{
    
    
   		char name[20];
   		int age;
   		char id[20];
	};

	struct stu s1={
    
    "tom",20,"20210224111"};
	struct stu s2;
	s2=s1;
	strcpy(s2.name,"jerry");
	s1.age=22;
	strcpy(s2.id,"20210224345");
	printf("学生s1的信息如下：\n");
	printf("name: %s\nage: %d\nid: %s\n\n",s1.name,s1.age,s1.id);
	printf("学生s2的信息如下：\n");
	printf("name: %s\nage: %d\nid: %s\n",s2.name,s2.age,s2.id);
	return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

（2）采用（->）操作符来访问结构体成员

当我们访问的不是一个结构体变量，而是指向一个结构体变量的指针，这时我们可以使用（->）操作符来访问结构体成员。例如：

#include<stdio.h>
struct stu
{
    
    
   	char name[20];
   	int age;
   	char id[20];
};
void print(struct stu *s2) 
{
    
    
   	printf("%s %d %s\n",s2->name,s2->age,s2->id);
}

int main()
{
    
    
	struct stu s1={
    
    "tom",20,"20210224111"};
	print(&s1);
	return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

三、共用体（联合体）

一般情况下，系统会为每一个变量开辟独立的存储空间。例如：

char a;
int b;
float c;

系统将为这三个变量分别开辟1个字节、2个字节和4个字节的存储空间。使用共用体类型（union）可以让这三个变量共用一块内存空间。

1、共用体的定义

共用体的定义格式如下：

union 共用体名
{
    
    成员列表};

以下代码定义共用体类型的为data，该共用体中有三个成员，分别为a、b、c，它们占用同一个起始地址的存储空间，内存长度等于最长的成员的长度。

//定义共用体类型data
union data
{
    
    
	char a;
	int b;
	float c;
};

和定义结构体变量一样，可以用以下三种方式定义共用体变量：

// 格式1
union data
{
    
    
	char a;
	int b;
	float c;
};
union data x,y;

// 格式2
union data
{
    
    
	char a;
	int b;
	float c;
} x,y;

// 格式3
union 
{
    
    
	char a;
	int b;
	float c;
} x,y;

2、共用体变量的引用

定义了共用体变量之后，可以采用如下方式引用共用体变量的成员：

变量名.成员名

对共用体变量的说明：

（1）同一个内存段可以用来存放几种不同类型的成员，但每一时刻只能存放其中一种。也就是说，每一时刻只有一个成员起作用。

（2）共用体变量中起作用的是最后一次被赋值的成员。例如：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	union data
	{
    
    
		char a;
		int b;
		float c;
	};
	union data x;
	x.a='a';
	x.b=10;
	x.c=15.3;
	printf("%c\n",x.a);
	printf("%d\n",x.b);
	printf("%f\n",x.c);
	return 0;
}

完成以上三个赋值运算之后，只有 x.c 是有效的，x.a 和 x.b 已经无意义了。

以上程序的运行结果如下：

（3）共用体变量的地址和它的各成员的地址相同。例如：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	union data
	{
    
    
		char a;
		int b;
		float c;
	};
	union data x;
	x.a='a';
	x.b=10;
	x.c=15.3;
	printf("%p\n",&x);
	printf("%p\n",&x.a);
	printf("%p\n",&x.b);
	printf("%p\n",&x.c);
	return 0;
}

以上程序的运行结果如下：

（4）不能对共用体变量赋值，也不在定义共用体变量时对它进行初始化。例如：

union data
{
    
    
    char a;
    int b;
    float c;
} x={
    
    'a',10,15.3}; //错误，不能对共用体变量初始化
a=1;               //错误，不能对共用体变量赋值
union data m=a;    //错误

（5）不能把共用体变量作为函数参数，也不能使函数返回共用体类型的值，但可以使用指向共用体变量的指针。

（6）共用体类型可以出现在结构体类型定义中，也可以定义共用体数组。反之，结构体也可以出现在共用体类型的定义中，数组也可以作为共用体的成员。

四、枚举类型

枚举就是把变量可能取到的值一一列举出来，变量的取值只局限于列举出来的值的范围。声明枚举类型使用 enum 保留字，例如：

//定义枚举类型
enum weekday{
    
    sun,mon,tus,wed,thu,fri,sat};
//定义枚举类型的变量
enum weekday workday,weekend;
//也可以直接定义枚举类型的变量
enum {
    
    sun,mon,tus,wed,thu,fri,sat} workday,weekend;
//为枚举类型的变量赋值
workday = mon;
weekend = sun;

说明：

（1）枚举元素按常量处理，称为枚举常量，不能给枚举元素赋值。例如以下赋值是错误的：

sun = 0;
mon = 1;

（2）枚举元素作为常量，C 语言按枚举元素定义的顺序将他们的值定义为0、1、2、…。在前面的定义中，sun 的值为 0，mon 的值为 1，…，sat 的值为 6。可以改变枚举元素的值，如：

#include<stdio.h>
int main()
{
    
    
    enum weekday{
    
    sun=7,mon=1,tus,wed,thu,fri,sat};
    enum weekday workday,weekend;
    workday = mon;
    weekend = sun;
    printf("monday:%d\nsunday:%d",workday,weekend);
    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

（3）枚举值可用于构造条件，例如：

if(workday == mon) {
    
    ...}
if(workday > sun) {
    
    ...}

（4）整数不能直接赋给枚举变量，因为他们属于不同的类型。需要进行强制类型转换才能赋值。例如：

workday = 2; //错误
workday = (enum weekday)2; //相当于将序号为2的枚举元素赋给workday，等价于下面的语句：
workday = tue;

（5）不能对枚举类型的变量直接读写，只能输出枚举变量的序号。

五、用 typedef 定义类型

除了可以直接使用标准类型名（如：int、char、float、double、long 等）和结构体、共用体、指针、枚举类型外，还可以用 typedef 定义新的类型名来代替已有的类型名。

例如：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	typedef struct
	{
    
    
		int month;
		int day;
		int year;
	} DATE;  //定义新的类型名为DATE
	typedef int ARR[10]; 
	DATE birthday={
    
    10,5,2000};
	ARR a={
    
    0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
	int i;
	printf("birthday: %d-%d-%d\n\n",birthday.year,birthday.month,birthday.day);
	for(i=0;i<10;i++)
	{
    
    
		printf("数组元素a[%d]的值：%d\n",i,a[i]);
	}
	return 0;

以上程序的输出结果如下：

typedef 主要用于以下几种情形：

1、为基本数据类型定义新的类型名

比如：用 typedef 来定义与平台无关的类型。
可以定义一个名称为 REAL 的浮点类型：typedef long double REAL;
在不支持 long double 的机器上，可以修改为：typedef double REAL;
如果连 double 都不支持，可以修改为：typedef float REAL;

当跨平台时，只要修改 typedef 本身就行，不用对其他源码做任何修改。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    
    
	typedef double REAL;
	REAL a=100.2;
	printf("%f",a);
	return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

2、为自定义数据类型（结构体、共用体和枚举类型）定义简洁的类型名称

例1：

typedef struct tagPoint
{
    
    
    double x;
    double y;
    double z;
} Point;

//上面的代码实际上完成了两个操作：
//1、定义一个新的结构类型
//其中：struct 关键字和 tagPoint 一起构成了这个结构类型
struct tagPoint
{
    
    
    double x;
    double y;
    double z;
} ;

//2、使用 typedef 为这个新的结构起了一个别名，叫 Point，即：
typedef struct tagPoint Point;

//然后就可以像 int 和 double 那样直接使用 Point 定义变量，如下面的代码所示：
Point oPoint1={
    
    100，100，0};
Point oPoint2;

例2：

#include <stdio.h>
//定义两个类型，一个整型的别名 INTEGER，一个整型指针 PINT，这两个变量没有联系，是独立的。
int main()
{
    
    
    typedef int INTEGER, *PINT;
    INTEGER a,c;
    PINT b;
	a=10;  
	c=20;  
    b=&c;
    printf("&a=%p\n",&a);
    printf("b=%p\n",b);
    printf("a=%d\n",a);
    printf("*b=%d\n",*b);
    return 0;
}

以上程序的输出结果如下：

例3：

typedef int ElemType; //定义顺序表的数据元素为整数。
typedef struct
{
    
    
 	ElemType data[MAXSIZE];   //用数组存储顺序表中的元素
	unsigned int length;      //顺序表中元素的个数
} SeqList,*PSeqList;  //定义两个类型，一个是结构体别名SeqList和一个结构体指针PSeqList。

3、为数组定义简洁的类型名称

例如：

typedef int INT_ARRAY_100[100];
INT_ARRAY_100 arr;

4、为指针定义简洁的名称

例如：

typedef char* PCHAR;
PCHAR pa;