結構體與聯合體入門

從基礎語法到實際應用 - 掌握資料組織的核心技巧與記憶體管理方法

1. 結構體基礎概念

1.1 為什麼需要結構體？

生活案例：
- 單一變數 → 便利貼（只能記一件事）
- 結構體 → 學生證（整合姓名、學號、照片）

程式碼對比：

// 舊方法：分散變數
char name[50];
int student_id;
float score;

// 新方法：結構體整合
struct student {
    char name[50];
    int student_id;
    float score;
};

1.2 定義與初始化

// 定義「座標」結構體
struct point {
    int x;
    int y;
};

// 初始化方式
struct point p1 = {10, 20};               // 順序初始化
struct point p2 = {.y=30, .x=5};          // 指定成員初始化（C99標準）
struct point p3;                          // 先宣告後賦值
p3.x = 100; p3.y = 200;

1.3 存取成員

printf("p1座標: (%d, %d)\n", p1.x, p1.y);  // 點運算子存取
p1.x += 5;                                // 修改成員值

2. 結構體指標

2.1 指標基礎回顧

int num = 10;
int *ptr = &num;          // 指向整數的指標
printf("%d", *ptr);       // 用*取值

2.2 結構體指標操作

struct student s1 = {"Alice", 410530, 90.5};
struct student *s_ptr = &s1;

// 兩種存取方式對比
printf("Name: %s\n", (*s_ptr).name);  // 括號不可省略！
printf("Name: %s\n", s_ptr->name);    // 推薦用箭頭運算子

2.3 結構體指標實戰

// 函數參數傳遞結構體指標（避免複製開銷）
void print_student(const struct student *s) {
    printf("Student ID: %d\n", s->student_id);
}

int main() {
    struct student s1 = {"Bob", 410531, 88.0};
    print_student(&s1);  // 傳遞地址
    return 0;
}

3. 綜合範例

3.1 設計「手機」結構體

struct smartphone {
    char model[20];
    int ram;      // GB
    float price;
};

// 1. 宣告兩支手機
// 2. 寫一個函數用指標參數印出手機資訊
void print_phone(const struct smartphone *phone) {
    printf("Model: %s\n", phone->model);
    // 補完其他資訊打印
}

3.2 想一想

struct book {
    char title[50];
    int pages;
};
struct book b1 = {"C Programming", 300};
struct book *b_ptr = &b1;

// 提問：以下程式碼輸出什麼？
printf("%d", b_ptr->pages + 10);

Clang編譯小技巧：

clang -Wall -Wextra struct_practice.c  # 開啟所有警告

4. 結構體陣列

4.1 靜態結構體陣列

// 定義「學生」結構體陣列
struct student {
    char name[20];
    int id;
    float score;
};

// 初始化全班資料（台灣學號範例）
struct student class[3] = {
    {"Alice", 410530, 88.5},
    {"Bob", 410531, 76.0},
    {"Carol", 410532, 92.3}
};

// 計算全班平均分數
float avg = 0;
for(int i = 0; i < 3; i++) {
    avg += class[i].score;
}
printf("平均分數: %.1f\n", avg/3);

4.2 結構體陣列與指標

// 用指標遍歷結構體陣列
struct student *ptr = class;  // 陣列名稱即為首元素地址
for(int i = 0; i < 3; i++) {
    printf("%s的學號: %d\n", (ptr+i)->name, (ptr+i)->id);
}

5. 巢狀結構

5.1 基本巢狀結構

// 定義「日期」與「學生」結構體
struct date {
    int year;
    int month;
    int day;
};

struct student {
    char name[20];
    struct date birthday;  // 巢狀結構
};

// 初始化與存取
struct student s1 = {
    "David", 
    {2000, 9, 15}  // 巢狀初始化
};
printf("%s的出生年份: %d\n", s1.name, s1.birthday.year);

5.2 實際應用：圖書管理系統

struct publisher {
    char name[50];
    char country[20];
};

struct book {
    char title[100];
    struct publisher pub;  // 巢狀結構
    float price;
};

// 出版社範例
struct book b1 = {
    "山賊王",
    {"西立", "台北"},
    580.0
};

6. 聯合體（union）入門

聯合體通常用於實現記憶體共享

6.1 聯合體基本特性

union data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

// 記憶體共享示範
union data d1;
d1.i = 10;
printf("整數值: %d\n", d1.i);  // 輸出10

d1.f = 3.14;
printf("浮點數值: %f\n", d1.f);  // 輸出3.14
// 此時d1.i的值已被覆蓋！

6.2 聯合體與結構體混用

union mix {
    int arr[3];
    struct {
        int one;
        int two;
        int three;
    } splite;
};

union mix t;
t.arr[0] = 500;
t.arr[1] = 600;
t.arr[2] = 700;

printf("one: %d\n", t.splite.one);
printf("two: %d\n", t.splite.two);
printf("three: %d\n", t.splite.three);

7. 綜合練習

任務：建立「多邊形」資料結構

struct point {
    int x;
    int y;
};

struct polygon {
    char name[20];
    int sides;
    struct point vertices[10];  // 頂點座標陣列
};

8. 結構體與函數指標

8.1 函數指標成員

// 定義計算器結構體
struct calculator {
    char name[20];
    float (*operation)(float, float);  // 函數指標成員
};

// 定義運算函數
float add(float a, float b) { return a + b; }
float multiply(float a, float b) { return a * b; }

int main() {
    struct calculator calc_add = {"加法器", add};
    struct calculator calc_mul = {"乘法器", multiply};
    
    printf("3 + 5 = %.1f\n", calc_add.operation(3, 5));
    printf("3 * 5 = %.1f\n", calc_mul.operation(3, 5));
    return 0;
}

8.2 實際應用：策略模式

// 台灣天氣數據處理範例
struct weather_analyzer {
    char location[20];
    float (*analyze)(float[], int);  // 分析策略
};

float avg_temperature(float temps[], int n) { /*...*/ }
float max_temperature(float temps[], int n) { /*...*/ }

struct weather_analyzer taichung = {
    "台中",
    avg_temperature  // 使用平均溫度策略
};

9. 動態結構體操作

9.1 結構體與動態陣列

struct student {
    char name[20];
    int id;
};

// 動態建立學生陣列
int n = 5;
struct student *class = malloc(n * sizeof(struct student));

// 初始化資料
for(int i=0; i<n; i++) {
    sprintf(class[i].name, "學生%d", i+1);
    class[i].id = 410530 + i;
}

free(class);  // 釋放記憶體

10. 聯合體的進階應用

10.1 型別轉換技巧

// 檢視float的記憶體表示
union float_converter {
    float value;
    unsigned char bytes[4];
} fc;

fc.value = 3.14;
printf("IEEE754表示: ");
for(int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("%02X ", fc.bytes[i]);  // 輸出16進位表示
}

10.2 節省記憶體應用

// 台灣便利商店商品資料
struct product {
    char name[50];
    union {
        int quantity;  // 一般商品
        float weight;  // 散裝商品
    } stock;
    char type;  // 'Q'=數量, 'W'=重量
};

struct product p1 = {"茶葉蛋", .stock.quantity=10, 'Q'};
struct product p2 = {"餅乾", .stock.weight=150.5, 'W'};

11. 綜合範例

悠遊卡交易系統模擬

struct transaction {
    struct date time;
    char location[30];
    union {
        int bus_route;    // 公車路線
        char station[20]; // 捷運站名
    } transport;
    int amount;
};

12. C語言結構體與聯合體重點總結

結構體 (struct)
- 打包不同類型變數
- 用.存取變數成員，->存取指標成員
- 可巢狀定義，建立複雜資料結構
聯合體 (union)
- 共享記憶體空間
- 同一時間只能使用一個成員
- 節省記憶體，用於型別轉換

13. 課堂作業

圓柱與方柱體積計算程式

作業要求

設計結構體包含：
- 圓柱（半徑、高）
- 方柱（長、寬、高）
使用聯合體儲存不同柱體的參數
使用指標操作柱體資料
依序輸入2種柱體的參數後，自動計算並顯示體積和表面積

程式碼架構

#include <stdio.h>

#define PI 3.14159

// 聯合體儲存柱體參數
union ColumnData {
    struct { float radius, height; } cylinder;  // 圓柱
    struct { float length, width, height; } prism; // 方柱
};

// 主結構體
typedef struct {
    int type; // 1=圓柱, 2=方柱
    union ColumnData data;
} Column;

// 計算體積
float volume(Column *col) {
    if(col->type == 1) { // 圓柱
        ...
    }
    else { // 方柱
        ...
    }
}

// 計算表面積
float surface_area(Column *col) {
    ...
}

int main() {
    Column columns[2]; // 儲存2種柱體
    
    // 輸入圓柱參數
    printf("請輸入圓柱的半徑和高度: ");
    ...
    
    // 輸入方柱參數
    printf("請輸入方柱的長、寬、高: ");
    ...
    
    // 計算並輸出結果
    printf("\n計算結果:\n");
    ...
    
    return 0;
}

執行範例

請輸入圓柱的半徑和高度: 3 5
請輸入方柱的長、寬、高: 2 3 4

計算結果:
1. 圓柱: 體積=141.37, 表面積=150.80
2. 方柱: 體積=24.00, 表面積=52.00

結構體與聯合體入門

1. 結構體基礎概念

1.1 為什麼需要結構體？

1.2 定義與初始化

1.3 存取成員

2. 結構體指標

2.1 指標基礎回顧

2.2 結構體指標操作

2.3 結構體指標實戰

3. 綜合範例

3.1 設計「手機」結構體

3.2 想一想

4. 結構體陣列

4.1 靜態結構體陣列

4.2 結構體陣列與指標

5. 巢狀結構

5.1 基本巢狀結構

5.2 實際應用：圖書管理系統

6. 聯合體（union）入門

6.1 聯合體基本特性

6.2 聯合體與結構體混用

7. 綜合練習

任務：建立「多邊形」資料結構

8. 結構體與函數指標

8.1 函數指標成員

8.2 實際應用：策略模式

9. 動態結構體操作

9.1 結構體與動態陣列

10. 聯合體的進階應用

10.1 型別轉換技巧

10.2 節省記憶體應用

11. 綜合範例

悠遊卡交易系統模擬

12. C語言結構體與聯合體重點總結

13. 課堂作業

作業要求

程式碼 架構

執行範例

程式碼架構