struct 结构体

原理

C struct 与 C++ struct 的过渡

在 C 语言中，struct 是纯数据聚合——只能包含数据成员，不能包含函数。在 C++ 中，struct 被”升级”为与 class 几乎等价的类型构建工具。唯一区别是默认访问级别：struct 默认 public，class 默认 private。除此之外，struct 同样支持成员函数、构造/析构、虚函数、继承、多态。

// C 风格（纯数据）
struct Point { int x, y; };
 
// C++ 风格（带方法）
struct Point {
    int x, y;
    double length() const { return sqrt(x*x + y*y); }
};

底层等价性

编译器对 struct 和 class 生成的汇编代码完全相同。以下两段代码产生的机器码一致：

struct S { int x; void f() { x = 1; } };
class C { public: int x; void f() { x = 1; } };

这印证了一个关键事实：C++ 的访问控制（public/private）是纯编译期的概念——在运行时和汇编层面不存在任何区别或开销。

struct 内存布局

与 class 完全一致：成员按声明顺序排列；对齐规则相同（当前偏移须被成员类型大小整除）；同样支持虚函数（引入 vptr 于偏移 0 处）。

struct Layout {
    char  a;    // 1B, offset 0
    int   b;    // 4B, offset 4 (offset 1 不整除 4 → pad 3)
    short c;    // 2B, offset 8
};
// sizeof(Layout) = 12 (pad 2 在末尾，确保对齐到最大类型 4)

struct 约定与语义

虽然语法上 struct 可以做 class 的所有事情，但社区约定两者有明确分工：

struct：纯数据聚合（POD 类型）。如链表节点、树节点、配置参数、坐标点。公开数据成员是自然的，不暴露封装假象
class：有封装逻辑的类型。需要不变量保证、访问控制、资源管理的场景

这不仅是代码风格问题——struct 保持简单数据聚合的语义，让读者可以一眼判断”这个类型的成员可以直接访问，没有隐藏的副作用”。

POD 与 C 兼容性

POD（Plain Old Data）类型是可以与 C 语言二进制兼容的类型——不含虚函数、不含构造函数/析构函数、不含引用成员、不含非 POD 基类。C++11 起 POD 概念被拆分为 trivial（平凡可复制）和 standard-layout（标准布局）。纯粹的 struct 数组（如 Point pts[100]）既是 trivial 也是 standard-layout，可以用 memcpy 安全复制，也可以直接传给 C 函数。

语法

聚合初始化

struct Vec3 { float x, y, z; };
Vec3 v1 = {1.0f, 2.0f, 3.0f};   // C++98
Vec3 v2{1.0f, 2.0f, 3.0f};      // C++11 统一初始化
Vec3 v3{};                        // 零初始化 {0,0,0}
Vec3 v4{.x=1.0f, .z=3.0f};       // C++20 指定初始化器

struct 与数据结构

struct 是构建所有数据结构的基石节点：

struct ListNode { int value; ListNode* next; };
struct TreeNode { int value; TreeNode *left, *right; };
struct HashNode { int key, value; HashNode* next; };
struct Edge { int from, to, weight; };

struct 的构造/析构/继承

struct 可以拥有与 class 完全相同的构造体系：

struct Base {
    int id;
    Base(int i) : id(i) {}
    virtual ~Base() = default;
};
struct Derived : Base {
    double val;
    Derived(int i, double v) : Base(i), val(v) {}
};

C 遗留：typedef

C 中需要用 typedef 才能在声明变量时省略 struct 关键字。C++ 中不需要——直接写结构体名即可：

// C 风格（C++ 中仍合法但不必用）
typedef struct { int x, y; } Point_C;
 
// C++ 风格（推荐）
struct Point { int x, y; };
Point p{3, 4};  // C++ 中无需 struct 关键字

模板 struct

template<typename T>
struct DataNode {
    T        value;
    DataNode* next;
};
// 用法与 template class 完全等价

实践

力扣题目：力扣去重排序（struct 封装计数），力扣排序（struct 成员排序），力扣堆（struct 作为 priority_queue 元素），力扣约瑟夫环（struct 链表节点）。

AI 自检：1) 给 AI 两个版本——一个用 struct 表示链表节点，一个用 class——要求解释它们在汇编层面的区别；2) 问 AI 在以下场景中应该选择 struct 还是 class：二维坐标点、RAII 文件句柄、线程安全队列、二叉树节点。

建议先阅读：05_面向对象(一)类与对象基础 — class 与 struct 的完整对比；06_面向对象(二)继承 — struct 同样支持继承体系。

C 语言关联：C 的 struct 是纯粹的字段聚合——无成员函数、无构造/析构、无访问控制、无继承。C++ 的 struct 是 class 的同义词。在需要与 C 交互的数据结构（如链表中传给 C 库的节点）上，建议保持 struct POD 特性以确保二进制兼容。详见 C 内存模型与布局和 C 面向对象设计。

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