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结构和其他数据形式

结构体​

结构体是C语言中组织相关数据的核心机制，在Python-C互操作中用于：

  • 定义复杂的数据结构
  • 与Python类进行映射
  • 高效传递多个相关数据

基本结构体定义​

// 定义结构体
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

// 使用typedef简化
typedef struct {
    char name[50];
    int age;
    float height;
} Person;

// 声明变量
Person p1;
Person *p2 = malloc(sizeof(Person));

结构体初始化和访问​

// 初始化
Person p1 = {"张三", 25, 175.5};
Person p2 = {.name = "李四", .age = 30, .height = 180.0};

// 访问成员
printf("姓名: %s\n", p1.name);
printf("年龄: %d\n", p1.age);

// 指针访问
Person *ptr = &p1;
printf("身高: %.1f\n", ptr->height);

结构体嵌套​

typedef struct {
    int year;
    int month;
    int day;
} Date;

typedef struct {
    char name[50];
    Date birthdate;
    float salary;
} Employee;

Employee emp = {
    .name = "王五",
    .birthdate = {1990, 5, 15},
    .salary = 8000.0
};

联合体​

联合体允许在同一内存位置存储不同的数据类型，在Python-C互操作中用于：

  • 节省内存空间
  • 实现变体类型
  • 处理网络协议数据

基本联合体​

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

union Data data;
data.i = 10;
printf("data.i: %d\n", data.i);

data.f = 3.14;
printf("data.f: %.2f\n", data.f);

带标签的联合体​

typedef struct {
    enum { INT, FLOAT, STRING } type;
    union {
        int i;
        float f;
        char str[20];
    } value;
} Variant;

Variant var;
var.type = INT;
var.value.i = 42;

if (var.type == INT) {
    printf("整数值: %d\n", var.value.i);
}

枚举​

枚举提供有意义的名称来代替数字常量：

typedef enum {
    RED,    // 0
    GREEN,  // 1
    BLUE    // 2
} Color;

Color c = GREEN;
if (c == GREEN) {
    printf("这是绿色\n");
}

Python-C互操作中的应用​

结构体与Python类的映射​

// C结构体
typedef struct {
    double x;
    double y;
} Point;

export Point* create_point(double x, double y) {
    Point *p = malloc(sizeof(Point));
    p->x = x;
    p->y = y;
    return p;
}

export double point_distance(Point *p1, Point *p2) {
    double dx = p1->x - p2->x;
    double dy = p1->y - p2->y;
    return sqrt(dx*dx + dy*dy);
}
# Python包装类
from ctypes import Structure, c_double, CDLL, POINTER

class Point(Structure):
    _fields_ = [("x", c_double), ("y", c_double)]

lib = CDLL('./geometry.so')
lib.create_point.argtypes = [c_double, c_double]
lib.create_point.restype = POINTER(Point)
lib.point_distance.argtypes = [POINTER(Point), POINTER(Point)]
lib.point_distance.restype = c_double

# 使用
p1 = lib.create_point(1.0, 2.0)
p2 = lib.create_point(4.0, 6.0)
distance = lib.point_distance(p1, p2)
print(f"距离: {distance}")

复杂数据结构的传递​

// 图像数据结构
typedef struct {
    int width;
    int height;
    int channels;
    unsigned char *data;
} Image;

export void process_image(Image *img) {
    // 处理图像数据
    for (int i = 0; i < img->width * img->height * img->channels; i++) {
        img->data[i] = 255 - img->data[i]; // 反色处理
    }
}

内存布局和对齐​

结构体大小和对齐​

#include <stdio.h>

typedef struct {
    char a;     // 1字节
    int b;      // 4字节
    short c;    // 2字节
} Example;

int main() {
    printf("Sizeof Example: %zu\n", sizeof(Example));
    printf("Offset of a: %zu\n", offsetof(Example, a));
    printf("Offset of b: %zu\n", offsetof(Example, b));
    printf("Offset of c: %zu\n", offsetof(Example, c));
    return 0;
}

手动内存对齐​

// 确保结构体按8字节对齐
typedef struct __attribute__((aligned(8))) {
    char a;
    int b;
    short c;
} AlignedExample;

最佳实践​

  1. 使用typedef：简化结构体类型名称
  2. 初始化所有字段：避免未初始化数据
  3. 考虑内存布局：合理安排字段顺序减少填充
  4. 文档化结构体：说明每个字段的用途和单位
  5. 验证输入数据：在Python-C边界进行数据验证

常见陷阱​

  1. 内存对齐问题：不同平台对齐要求可能不同
  2. 字节序问题：网络传输时需要注意字节序
  3. 填充字节：结构体中的填充字节可能导致数据不一致
  4. 指针生命周期：确保C中分配的内存在Python中正确管理

结构体和联合体是C语言中组织数据的强大工具，在Python-C互操作中尤为重要。正确使用它们可以创建高效、类型安全的数据接口。