C 语言数组、字符串与结构体

更新时间：2026-08-25。本文是 languages/c/ 主题入门层第 3 篇。数组、字符串、结构体是 C 组织数据的三种复合类型——它们决定"数据在内存里怎么排"，也是理解缓存、对齐、性能的关键入口。

本文要回答的问题

• 数组下标 a[i] 为什么等价于 *(a + i)？
• C 字符串为什么必须以 '\0' 结尾？忘了会怎样？
• 结构体的字段在内存里是紧挨着排的吗？为什么有"对齐"？

一、数组

1.1 定义与初始化

int a[5];                    // 未初始化，值不确定
int b[5] = {1, 2, 3, 4, 5};  // 完整初始化
int c[5] = {1, 2};           // 部分初始化，其余为 0
int d[] = {1, 2, 3};         // 编译器推断大小为 3

1.2 下标访问 = 指针运算

int a[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
a[2]     == *(a + 2);   // 都是 30

数组名 a 在表达式中退化为首元素地址，a[i] 就是"首地址 + 偏移 i"的解引用。

1.3 数组越界（危险！）

int a[5];
a[5] = 100;   // 越界！写到了 a 之后 4 字节的内存

C 不检查数组越界，越界写会悄悄破坏相邻变量，是最难查的 bug 之一。详见指针与内存管理。

1.4 二维数组

int m[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
m[1][2]      // 6，第二行第三列

二维数组在内存中是按行连续存储的（行优先），m[1] 是第二行的首地址。

二、字符串

2.1 C 字符串本质：以 '\0' 结尾的字符数组

char s[] = "hello";       // 实际占 6 字节：h e l l o \0
char t[6] = {'h','e','l','l','o','\0'};  // 等价写法

C 没有专门的字符串类型，字符串就是以空字符 '\0' 结尾的字符数组。所有字符串函数（strlen/strcpy）都依赖这个结尾符。

2.2 常见字符串操作

#include <string.h>

char a[20] = "hello";
size_t len = strlen(a);      // 5（不含 \0）
strcpy(a, "world");          // 拷贝（注意目标要够大）
strcat(a, "!");              // 拼接
int cmp = strcmp(a, "world");// 比较，0 表示相等

2.3 字符串的坑

char *s = "hello";    // 指向字符串字面量（只读！）
s[0] = 'H';           // 未定义行为！字面量在 .rodata，不可写

char arr[] = "hello"; // 数组在栈上，可写
arr[0] = 'H';         // 合法

• 用 char * 指向的字符串字面量是只读的，修改会崩溃。
• strcpy 不检查目标大小，目标不够大会溢出——用 strncpy 或 snprintf 更安全。

三、结构体

3.1 定义与访问

struct Point {
    int x;
    int y;
};

struct Point p;
p.x = 10;
p.y = 20;

3.2 用 typedef 简化

typedef struct {
    int x;
    int y;
} Point;

Point p;           // 不用再写 struct 关键字
p.x = 10;

3.3 结构体指针访问（->）

Point p = {10, 20};
Point *pp = &p;
pp->x = 30;        // 等价于 (*pp).x = 30

-> 是"通过指针访问成员"的语法糖。

3.4 结构体的内存对齐（重点，衔接性能）

struct A {
    char c;    // 1 字节
    int  i;    // 4 字节
};

printf("%zu\n", sizeof(struct A));  // 8，不是 5！

为什么是 8 不是 5？因为 int 要求 4 字节对齐，char 后面要填充 3 字节，让 int 落在 4 的倍数地址上。

struct B {
    int  i;    // 4 字节
    char c;    // 1 字节
};

printf("%zu\n", sizeof(struct B));  // 8，末尾也填充到 4 的倍数

对齐的影响：

• 字段顺序不同，结构体大小不同（影响缓存命中）。
• 对齐是 L3 内存子系统 的核心概念，直接影响性能。

3.5 结构体数组与嵌套

typedef struct {
    char name[20];
    int  age;
} Person;

Person people[100];          // 结构体数组
people[0].age = 30;

四、三种复合类型的内存组织对比

类型	内存布局	关键点
数组	连续、同类型	下标 = 基址 + 偏移
字符串	字符数组 + '\0'	结尾符决定长度
结构体	连续、可不同类型，有对齐填充	字段顺序影响大小

五、与本站主线衔接

• 对齐与缓存：结构体字段顺序决定填充字节，影响缓存行利用率，见 L3 内存子系统。
• 数组与 TLB：大数组访问的局部性决定 TLB 命中，见 L3 TLB。
• 字符串与只读段：字符串字面量在 .rodata，见 L5 ELF。

一句话总结

数组、字符串、结构体是 C 的三种复合类型——数组下标即指针偏移、字符串靠 '\0' 定长、结构体有对齐填充；它们的"内存怎么排"直接决定了后续的缓存命中与性能，是理解底层的前提。

---

上一篇：控制流与函数　下一篇：指针深入