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C++结构体完全攻略(超详细)

结构体是一个由程序员定义的数据类型,可以容纳许多不同的数据值。在过去,面向对象编程的应用尚未普及之前,程序员通常使用这些从逻辑上连接在一起的数据组合到一个单元中。一旦结构体类型被声明并且其数据成员被标识,即可创建该类型的多个变量,就像可以为同一个类创建多个对象一样。

虽然今天结构体较少使用,但知道它们是什么,以及如何使用它们仍然很重要,这并不仅仅是因为可以在较老的程序中遇到它们,还因为在某些情况下,类的实例无法使用,这时必须使用结构体。

声明结构体的方式和声明类的方式大致相同,其区别如下:
  • 使用关键字 struct 而不是关键字 class。
  • 尽管结构体可以包含成员函数,但它们很少这样做。所以,通常情况下结构体声明只会声明成员变量。
  • 结构体声明通常不包括 public 或 private 的访问修饰符。
  • 类成员默认情况是私有的,而结构体的成员则默认为 public。程序员通常希望它们保持公开,只需使用默认值即可。

以下是一个结构体声明的示例,该结构体将 5 个变量绑定在一起,保存了员工的工资单数据。这个特殊结构体的名称是 PayRoll。请注意,它以大写字母开头,这和类名使用大写字母开头的约定一样。另外还要注意,与类声明一样,在结构体声明的大括号后面必须有一个分号。
struct PayRoll
{
    int empNumber;
    string name;
    double hours,payRate,grossPay;
};
正如在类的对象被创建之前,类声明不会被实例化一样,结构体声明不会创建任何结构体的实例。本示例中的结构体声明只是告诉编译器PayRoll结构体看起来的样子。它本质上是创建一个名为 PayRoll 的新数据类型。

定义 PayRoll 结构体的变量和定义其他任何变量的方式并无二致,首先列出数据类型,然后是变量名称。以下定义语句创建了 PayRoll 结构体的 3 个变量:

PayRoll deptHead, foreman, associate;

它们每一个都是 PayRoll 结构体的实例,可以被分配和拥有自己的内存,以保存其成员数据。请注意,尽管 3 个结构体变量具有不同的名称,但每个变量都包含具有相同名称的成员,如图 1 所示。

每个结构体变量都包含具有相同名称的成员
图 1 每个结构体变量都包含具有相同名称的成员

初始化结构体

当定义结构体变量时,可以通过两种方式初始化它:使用初始化列表或构造函数。

初始化列表

初始化结构体变量成员的最简单的方法是使用初始化列表。初始化列表是用于初始化一组内存位置的值列表。列表中的项目用逗号分隔并用大括号括起来。

例如,假设已经声明了以下 Date 结构体:
struct Date
{
    int day, month, year;
};
定义和初始化 Date 变量的方式是:先指定变量名,后接赋值运算符和初始化列表,如下所示:

Date birthday = {23, 8, 1983};

该声明定义 birthday 是一个 Date 结构体的变量,大括号内的值按顺序分配给其成员。所以 birthday 的数据成员已初始化,如图 2 所示。

已经初始化的 birthday 的数据成员
图 2 已经初始化的 birthday 的数据成员

也可以仅初始化结构体变量的部分成员。例如,如果仅知道要存储的生日是8月23日, 但不知道年份,则可以按以下方式定义和初始化变量:

Date birthday = {23,8};

这里只有 day 和 month 成员被初始化,year 成员未初始化。但是,如果某个结构成员未被初始化,则所有跟在它后面的成员都需要保留为未初始化。使用初始化列表时,C++ 不提供跳过成员的方法。以下语句试图跳过 month 成员的初始化。这是不合法的。

Date birthday = {23,1983}; //非法

还有一点很重要,不能在结构体声明中初始化结构体成员,因为结构体声明只是创建一个新的数据类型,还不存在这种类型的变量。例如,以下声明是非法的:
//非法结构体声明
struct Date
{
    int day = 23,
    month = 8,
    year = 1983;
};
因为结构体声明只声明一个结构体“看起来是什么样子的”,所以不会在内存中创建成员变量。只有通过定义该结构体类型的变量来实例化结构体,才有地方存储初始值。

构造函数初始化结构体

虽然初始化列表易于使用,但它有两个缺点:
  1. 如果有某个成员未被初始化,那么在这种情况下,跟随在该成员后面的成员都不能初始化。
  2. 如果结构体包括任何诸如字符串之类的对象,那么在许多编译器上它都将无法运行。

在这些情况下,可以使用构造函数来初始化结构体成员变量,这和初始化类成员变量是相同的。与类构造函数一样,结构体的构造函数必须是与结构体名称相同的公共成员函数,并且没有返回类型。因为默认情况下,所有结构体成员都是公开的,所以不需要使用关键字 public。

以下是一个名为 Employee 的结构体的声明语句,它包含一个具有两参数的构造函数,以便在创建一个 Employee 变量而不向其传递任何参数时,提供默认值:
struct Employee
{
    string name;    // 员工姓名
    int vacationDays,    // 允许的年假
    daysUsed;    //已使用的年假天数
    Employee (string n ="",int d = 0)    // 构造函数
    {
        name = n;
        vacationDays = 10;
        daysUsed = d;
    }
};

访问结构体成员

结构体成员的访问方式与类的公共成员一样,都是使用点运算符。但是,类的数据成员通常是私有的,必须通过函数访问。因为结构数据成员是公共的,所以它们可以被直接访问,并且可以像常规变量一样使用。以下语句即可为前面创建的每个 PayRoll 变量的 empNumber 成员赋值:
deptHead.empNumber = 475;
foreman.empNumber = 897;
associate.empNumber = 729;
以下语句将显示 deptHead 变量所有成员的内容:
cout << deptHead.empNumber << endl;
cout << deptHead.name << endl;
cout << deptHead.hours << endl;
cout << deptHead.payRate << endl;
cout << deptHead.grossPay << endl;
下面的程序是使用 PayRoll 结构体的完整程序。请注意,在 cin 语句、cout 语句和数学运 算中,单个结构体成员的用法和常规变量基本上是一样的。
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
using namespace std;

struct PayRoll
{
    int    empNumber; // Employee number
    string name;    // Employee name
    double hours,    // Hours worked
    payRate; // Hourly pay rate
};

int main()
{
    PayRoll employee; // Employee is a PayRoll structure
    double grossPay; // Gross amount the employee earned this week
    cout << "Enter the employee1s number:";
    cin >> employee.empNumber;
    cout << "Enter the employee's name: ";
    cin.ignore();// Skip the '\n' character left in the input buffer
    getline(cin, employee.name);
    cout << "Hours worked this week: ";
    cin >> employee.hours;
    cout << "Employee's hourly pay rate: ";
    cin >> employee.payRate;
   
    // Calculate the employee's gross pay
    grossPay = employee.hours * employee.payRate;
    // Display the results
    cout << "\nHere is the employee1s payroll data:\n";
    cout << "Name:    " << employee.name << endl;
    cout << "Employee number: " << employee.empNumber << endl;
    cout << "Hours worked:    " << employee.hours << endl;
    cout << "Hourly pay rate: " << employee.payRate << endl;
    cout << fixed << showpoint << setprecision(2);
    cout << "Gross pay: $" << grossPay << endl;
    return 0;
}
程序输出结果:

Enter the employee1s number:2214
Enter the employee's name: Jack Smith
Hours worked this week: 40
Employee's hourly pay rate: 12.50

Here is the employee1s payroll data:
Name:   Jack Smith
Employee number: 2214
Hours worked:   40
Hourly pay rate: 12.5
Gross pay: $500.00

程序中,变量 employee 被定义在第 17 行,它是 Payroll 结构体的一个实例。此后就可以通过变量名称和点运算符来访问其中的 5 个数据成员。例如,在第 22 行中,以下语句将读取变量的 empNumber 成员中的值:

cin >> employee.empNumber; //正确

如果试图通过结构体类型的名称来访问该成员,那么结果将是错误的:

cin >> Payroll.empNumber; //错误

结构体嵌套

正如一个类的对象可以嵌套在另一个类中一样,一个结构体的实例也可以嵌套在另一个结构体中。例如,来看以下声明:
struct Costs
{
    double wholesale;
    double retail;
};

struct Item
{
    string partNum;
    string description;
    Costs pricing;
};
Costs 结构体有两个 double 类型成员,wholesale 和 retail。Item 结构体有 3 个成员,前 2 个是 partNum 和 description,它们都是 string 对象。第 3 个是 pricing,它是一个嵌套的 Costs 结构体。如果定义了一个名为 widge t的 Item 结构体,则图 3 说明了其成员。

在 widget 的成员中包含一个嵌套结构体
图 3 在 widget 的成员中包含一个嵌套结构体

它们可以按以下方式访问:
widget.partnum = "123A";
widget.description = "iron widget";
widget.pricing.wholesale = 100.0;
widget.pricing.retail = 150.0;
请注意,wholesale 和 retail 不是 widget 的成员,pricing 才是。要访问 wholesale 和 retail,必须首先访问 widget 的定价 pricing,然后由于它是一个 Costs 结构体,所以同样可以使用点运算符访问其 wholesale 和 retail 成员。

还要注意,对于所有结构体来说,访问成员时必须使用成员名称,而不是结构体名称。例如,以下语句不合法:
cout << widget.retail;    // 错误
cout << widget.Costs.wholesale;    // 错误
在决定是否使用嵌套结构体时,请考虑各种成员的相关性。一个结构体将逻辑上属于一体的项目绑定在一起。通常,结构体的成员是描述某个对象的属性。在上述示例中,对象是一个 widget(小零部件),而 partNum(部件编号)、description(描述)、wholesale(批发)和 retail(零售)价格都是其属性。

当某些属性相关并形成对象属性的逻辑子组时,将它们绑定在一起并使用嵌套结构体是有意义的。请注意下面程序内部结构体中属性的相关性,它使用了嵌套结构体。
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
using namespace std;

struct CostInfo
{
    double food, // Food costs
    medical, // Medical costs
    license, // License fee
    misc; // Miscellaneous costs
};
struct PetInfo
{
    string name; // Pet name
    string type; // Pet type
    int age; // Pet age
    CostInfo cost;
    PetInfo() // Default constructor
    {
        name = "unknown";
        type = "unknown";
        age = 0;
        cost.food = cost.medical = cost.license = cost.misc = 0.00;
    }
};

int main()
{
    PetInfo pet;
    pet.name = "Sassy";
    pet.type = "cat";
    pet.age = 5;
    pet.cost.food = 300.00;
    pet.cost.medical = 200.00;
    pet.cost.license = 7.00;
    cout << fixed << showpoint << setprecision(2);
    cout << "Annual costs for my " << pet.age << "—year—old "<< pet.type << " " << pet.name << " are $"<< (pet.cost.food + pet.cost.medical +pet.cost.license + pet.cost.misc) << endl;
    return 0;
}

程序输出结果:
Annual costs for my 5-year-old cat Sassy are $507.00

将结构体传递给函数

与类对象一样,结构体变量也可以通过值、引用和常量引用传递给函数。默认情况下,它们通过值传递,这意味着需要生成整个原始结构的副本并传递给函数。因为不希望浪费时间来复制整个结构体,所以,除非结构很小,否则一般会通过引用将结构体传递给函数。但是,这样意味着函数可以访问原始结构的成员变量,从而可能更改它们。如果不想让函数更改任何成员变量值,那么可以考虑将结构体变量作为一个常量引用传递给函数。

下面程序定义了一个结构体变量并将其传递给了两个函数。
//程序1
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
using namespace std;

struct Invltem// Holds data for an inventory item
{
    int partNum; // Part number
    string description; // Item description
    int onHand; // Units on hand
    double price; // Unit price
};
// Function prototypes
void getltemData(InvItem &) ;

void showItem(const InvItem &);

int main()
{
    InvItem part; // Define an Invltem structure variable.
    getItemData(part);
    showItem(part);
    return 0;
}

void getItemData(InvItem &item)
{
    cout << "Enter the part number: ";
    cin >> item.partNum;
    cout << "Enter the part description: ";
    cin.get();
    getline (cin, item.description);
    cout << "Enter the quantity on hand: ";
    cin >> item.onHand;
    cout << "Enter the unit price: ";
    cin >> item.price;
}
void showItem(const InvItem &item)
{
    cout << fixed << showpoint << setprecision(2) << endl;
    cout << "Part Number : " << item.partNum << endl;
    cout << "Description : " << item.description << endl;
    cout << "Units On Hand : " << item.onHand << endl;
    cout << "Price    : $" << item.price << endl;
}
程序输出结果:

Enter the part number: 800
Enter the part description: Screwdriver
Enter the quantity on hand: 135
Enter the unit price: 1.25

Part Number : 800
Description : Screwdriver
Units On Hand: 135
Price : $1.25

从函数返回一个结构体

也可以从函数返回结构体变量。在这种情况下,函数的返回类型是结构体的名称。可以改写程序 1 以允许 getItemData 函数创建 Invltem 结构体的局部实例,将数据值放入其成员变量中,然后将其传递回 main,而不是将其作为引用变量从 main 接收。

以下是修改后的 getltemData 函数的样子:
InvItem getItemData()
{
    InvItem item;
    cout << "Enter the part number:";
    cin >> item.partNum;
    cout << "Enter the part description: ";
    cin.get();
    getline(cin, item.description);
    cout << "Enter the quantity on hand: ";
    cin >> item.onHand;
    cout << "Enter the unit price: ";
    cin >> item.price;
    return item;
}
以下是从 main 中调用它的方法:

part = getItemData();

注意,C++ 只允许从函数返回单个值。然而,结构体提供了解决这一限制的方法。即使一个结构体可能有几个成员,它在技术上还是一个单一的对象。通过在结构体中打包多个值,可以从函数返回任意数量的值。

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