有的时候，我们所遇到的数据结构，不仅仅是一群数字或者是字符串那么简单。比如我们每一个人的学籍信息，学号是一个长整数，名字却是字符；甚至有更复杂的情况，这种问题在现实生活中并不少见。我们之前学过一种叫数组的数据结构，它可以允许我们把很多同类型的数据集中在一起处理。相对于之前，这已经是一次极大的进步。但是，新的问题，往往又会出现，这个时候，我们就得上更高端的装备——结构体。

相比于数组，结构体有以下的更强大的优势：

结构体的声明使用struct关键字，如果我们想要把我们的学籍信息组织一下的话，可以这样表示：

这样，我们就相当于描绘好了一个框架，以后要用的话直接定义一个这种类型的变量就好了。

我们刚刚申请了一个名叫Info的结构体类型，那么理论上我们可以像声明其他变量的操作一样，去声明我们的结构体操作，但是C语言中规定，声明结构体变量的时候，struct关键字是不可少的。

struct 结构体类型名 结构体变量名

不过，你可以在某个函数里面定义：

也可以在声明的时候就把变量名定义下来（此时这个变量是全局变量）：

结构体成员的访问有点不同于以往的任何变量，它是采用点号运算符.来访问成员的。比如，info.name就是引用info结构体的name成员，是一个字符数组，而info.year则可以查到入学年份，是个无符号整型。

比如，下面开始录入学生的信息：

运行结果如下：

像数组一样，结构体也可以在定义的时候初始化，方法也几乎一样：

在C99标准中，还支持给指定元素赋值（就像数组一样）：

对于没有被初始化的成员，则「数值型」成员初始化为0，「字符型」成员初始化为‘\0’。

下面这个代码，大家来看看会发生什么：

我们之前学过，char类型的变量占1字节，int类型的变量占4字节，那么这么一算，一个结构体A型的变量应该就是6字节了。别急，我们看运行结果：

怎么变成12了呢？标准更新了？老师教错了？都不是。我们把代码改一下：

结果：

实际上，这是编译器对我们程序的一种优化——内存对齐。在第一个例子中，第一个和第三个成员是char类型是1个字节，而中间的int却有4个字节，为了对齐，两个char也占用了4个字节，于是就是12个字节。

而在第二个例子里面，前两个都是char，最后一个是int，那么前两个可以一起占用4个字节（实际只用2个，第一个例子也同理，只是为了访问速度更快，而不是为了扩展），最后的int占用4字节，合起来就是8个字节。

关于如何声明结构体来节省内存容量，可以阅读下面的这篇文章，作者是艾瑞克·雷蒙，时尚最具争议性的黑客之一，被公认为开源运动的主要领导者之一：

英文原版，中文版

在学籍里面，如果我们的日期想要更加详细一些，精确到day，这时候就可以使用结构体嵌套来完成：

如此一来，比我们单独声明普通变量快多了。

不过，这样访问变量，就必须用点号一层层往下访问。比如要访问day这个成员，那就只能info.date.day而不能直接info.date或者info,day。

运行结果如下：

刚刚我们演示了存储一个学生的学籍信息的时候，使用结构体的例子。那么，如果要录入一批学生，这时候我们就可以沿用之前的思路，使用结构体数组。

我们知道，数组的定义，就是存放一堆相同类型的数据的容器。而结构体一旦被我们声明，那么你就可以把它看作一个类型，只不过是你自己定义的罢了。

定义结构体数组也很简单：

既然我们可以把结构体看作一个类型，那么也就必然有对应的指针变量。

但是在指针这里，结构体和数组就不一样了。我们知道，数组名实际上就是指向这个数组第一个元素的地址，所以可以将数组名直接赋值给指针。而结构体的变量名并不是指向该结构体的地址，所以要使用取地址运算符&才能获取地址：

通过结构体指针来访问结构体有以下两种方法：

第一个方法由于点号运算符比指针的取值运算符优先级更高，因此需要加一个小括号来确定优先级，让指针先解引用变成结构体变量，在使用点号的方法去访问。

相比之下，第二种方法就直观许多。

这两种方法在实现上是完全等价的，但是点号只能用于结构体变量，而箭头只能够用于指针。

第一种方法：

第二种方法：

我们先来看看下面的代码：

运行结果如下：

这么看来，结构体是可以直接赋值的。那么既然这样，作为函数的参数和返回值也自然是没问题的了。

先来试试作为参数:

运行结果如下：

早期的C语言是不允许直接将结构体作为参数直接传递进去的。主要是考虑到如果结构体的内存占用太大，那么整个程序的内存开销就会爆炸。不过现在的C语言已经放开了这方面的限制。

不过，作为一名合格的开发者，我们应该要去珍惜硬件资源。那么，传递指针就是一个很好的办法。

将刚才的代码修改一下：

此时传递的就是一个指针，而不是一个庞大的结构体。

结构体也可以在堆里面动态申请：

实际上，我们建立的数组可以是指向结构体指针的数组。

代码实现如下：

运行结果如下：

我们知道，数组变量在内存中，是连续的，而且不可拓展。显然在一些情况下，这种数据结构拥有很大的局限性。比如移动数据的时候，会牵一发而动全身，尤其是反转这种操作更加令人窒息。那么，需要需要一种数据结构来弄出一种更加灵活的“数组”，那么这，就是「链表」。

本节我们只讲讲单链表。

所谓链表，就是由一个个「结点」组成的一个数据结构。每个结点都有「数据域」和「指针域」组成。其中数据域用来存储你想要存储的信息，而指针域用来存储下一个结点的地址。如图：

当然，链表最前面还有一个头指针，用来存储头结点的地址。

这样一来，链表中的每一个结点都可以不用挨个存放，因为有了指针把他们串起来。因此结点放在哪都无所谓，反正指针总是能够指向下一个元素。我们只需要知道头指针，就能够顺藤摸瓜地找到整个链表。

因此对于学籍数据库来说，我们只需要在Info结构体中加上一个指向自身类型的成员即可：

这种每次都将数据插入单链表的头部（头指针后面）的插入法就叫头插法。

如果要把学生信息加入到单链表，可以这么写：

往单链表里面添加一个结点，也就是先申请一个结点，然后判断链表是否为空。如果为空，那么直接将头指针指向它，然后next成员指向NULL。若不为空，那么先将next指向头指针原本指向的结点，然后将头指针指向新结点即可。

那么，打印链表也变得很简单：

想要读取单链表里面的数据，只需要迭代单链表中的每一个结点，直到next成员为NULL，即表示单链表的结束。

最后，当然还是别忘了释放空间：

与头插法类似，尾插法就是把每一个数据都插入到链表的末尾。

这么一来，程序执行的效率难免要降低很多，因为每次插入数据，都要先遍历一次链表。如果链表很长，那么对于插入数据来说就是一次灾难。不过，我们可以给程序添加一个指针，让它永远都指向链表的尾部，这样一来，就可以用很少的空间换取很高的程序执行效率。

代码更改如下：

单链表是我们用来存储数据的一个容器，那么有时候需要快速查找信息就需要开发相关搜索的功能。比如说输入学号，查找同学的所有信息。

到了这里，才体现出链表真正的优势。

设想一下，如果有一个有序数组，现在要求你去插入一个数字，插入完成之后，数组依然保持有序。你会怎么做？

没错，你应该会挨个去比较，然后找到合适的位置（当然这里也可以使用二分法，比较节省算力），把这个位置后面的所有数都往后移动一个位置，然后将我们要插入的数字放入刚刚我们腾出来的空间里面。

你会发现，这样的处理方法，经常需要移动大量的数据，对于程序的执行效率来说，是一个不利因素。那么链表，就无所谓。反正在内存中，链表的存储毫无逻辑，我们只需要改变指针的值就可以实现链表的中间插入。

运行结果如下：

删除结点的思路也差不多，首先修改待删除的结点的上一个结点的指针，将其指向待删除结点的下一个结点。然后释放待删除结点的空间。

C语言的内存管理，从来都是一个让人头秃的问题。要想更自由地管理内存，就必须去堆中申请，然后还需要考虑何时释放，万一释放不当，或者没有及时释放，造成的后果都是难以估量的。

当然如果就这些，那倒也还不算什么。问题就在于，如果大量地使用malloc和free函数来申请内存，首先使要经历一个从应用层切入系统内核层，调用完成之后，再返回应用层的一系列步骤，实际上使非常浪费时间的。更重要的是，还会产生大量的内存碎片。比如，先申请了一个1KB的空间，紧接着又申请了一个8KB的空间。而后，这个1KB使用完了，被释放，但是这个空间却只有等到下一次有刚好1KB的空间申请，才能够被重新调用。这么一来，极限情况下，整个堆有可能被弄得支离破碎，最终导致大量内存浪费。

那么这种情况下，我们解决这类问题的思路，就是创建一个内存池。

内存池，实际上就是我们让程序创建出来的一块额外的缓存区域，如果有需要释放内存，先不必使用free函数，如果内存池有空，那么直接放入内存池。同样的道理，下一次程序申请空间的时候，先检查下内存池里面有没有合适的内存，如果有，则直接拿出来调用，如果没有，那么再使用malloc。

其实内存池我们就可以使用单链表来进行维护，下面通过一个通讯录的程序来说明内存池的运用。

普通的版本：

运行结果如下：

下面加入内存池：

C语言是一门古老的语言，它是在1969至1973年间，由两位天才丹尼斯·里奇和肯·汤普逊在贝尔实验室以B语言为基础开发出来的，用于他们的重写UNIX计划（这也为后来UNIX系统的可移植性打下了基础，之前的UNIX是使用汇编语言编写的，当然也是这两位为了玩一个自己设计的游戏而编写的）。天才就是和咱常人不一样，不过他俩的故事，在这篇里面不多啰嗦，我们回到话题。

虽然C语言诞生的很早，但是却依旧不是最早的高级编程语言。目前公认的最早的高级编程语言，是IBM公司于1957年开发的FORTRAN语言。C语言诞生之时，FORTRAN已经统领行业数十年之久。因此，C语言要想快速吸纳FORTRAN中的潜在用户，就必须做出一些妥协。

我们知道，不同的语言的语法，一般来说是不同的，甚至还有较大的差距。比如：

C:

而FORTRAN语言是这样的：

如果让FORTRAN用户使用原来的变量名称进行使用，那么就能够快速迁移到C语言上面来，这就是typedef的用处之一。

我们使用FORTRAN语言的类型名，那就这么办：

虽然结构体的出现能够让我们有一个更科学的数据结构来管理数据，但是每次使用结构体都需要struct...，未免显得有些冗长和麻烦。有了typedef的助攻，我们就可以很轻松地给结构体类型起一个容易理解的名字：

甚至还可以顺便给它的指针也定义一个别名：

我们还可以利用typedef来简化一些比较复杂的命令。

比如：

我们知道这是一个数组指针，指向一个5元素的数组。那么我们可以改写成这样：

这样就可以把很复杂的声明变得很简单：

取名的时候要尽量使用容易理解的名字，这样才能达到使用typedef的最终目的。

共用体也称联合体。

和结构体还是有点像：

但是两者有本质的不同。共用体的每一个成员共用一段内存，那么这也就意味着它们不可能同时被正确地访问。如：

执行结果如下：

可以看到，共用体只能正确地展示出最后一次被赋值的成员。共用体的内存应该要能够满足最大的成员能够正常存储。但是并不一定等于最大的成员的尺寸，因为还要考虑内存对齐的问题。

共用体可以类似结构体一样来定义和声明，但是共用体还可以允许不带名字：

共用体不能在同一时间存放多个成员，所以不能批量初始化

枚举是一个基本的数据类型，它可以让数据更简洁。

如果写一个判断星期的文章，我们当然可以使用宏定义来使代码更加易懂，不过：

这样的写法有点费键盘。那么枚举就简单多了：

枚举变量的定义和声明方法和共用体一样，也可以省略枚举名，直接声明变量名。

执行结果如下：

也可以把整数转换为枚举类型：

运行结果如下：

C语言除了开发桌面应用等，还有一个很重要的领域，那就是「单片机」开发。单片机上的硬件资源十分有限，容不得我们去肆意挥洒。单片机使一种集成电路芯片，使采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、RAM、ROM、I/O、中断系统、定时器/计数器等功能（有的还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工控领域使用广泛。

对于这样的设备，通常内存只有256B，那么能够给我们利用的资源就十分珍贵了。在这种情况下，如果我们只需要定义一个变量来存放布尔值，一般就申请一个整型变量，通过1和0来间接存储。但是，显然1和0只用1个bit就能够放完，而一个整型却是4个字节，也就是32bit。这就造成了内存的浪费。

好在，C语言为我们提供了一种数据结构，称为「位域」（也叫位端、位字段）。也就是把一个字节中的二进制位划分，并且你能够指定每个区域的位数。每个域有一个域名，并允许程序中按域名进行单独操作。

使用位域的做法是在结构体定义的时候，在结构体成员后面使用冒号（:）和数字来表示该成员所占的位数。

运行结果如下：

如此一来，结构体test只用了4bit，却存放下了0、1、2三个整数。但是由于2在二进制中是10，因此占了2个bit。如果把test.b赋值为2，那么：

可以看到，b中的10溢出了，只剩下0。

当然，位域的宽度不能够超过本身类型的长度，比如：

那么就会报错：

位域成员也可以没有名称，只要给出类型和宽度即可：

无名位域一般用来作为填充或者调整成员的位置，因为没有名称，所以无名位域并不能够拿来使用。

虽然科技发展日新月异，但是秉承着节约成本这个放之四海而皆准的原则，还是要注意使用！毕竟5毛钱可能是小钱，但是乘以5000万呢？