结构体基础

> 理解结构体如何组织相关数据，掌握结构体定义、创建实例和字段访问的基本语法。

为什么需要结构体？

结构体语法

概念名称： 结构体将相关数据组织在一起，字段有名字。

语法结构：
┌──────────────────────────────────────┐
│  struct 结构体名 {                    │
│      字段1: 类型1,                    │
│      字段2: 类型2,                    │
│  }                                    │
│                                       │
│  let 实例 = 结构体名 {                │
│      字段1: 值1,                      │
│      字段2: 值2,                      │
│  };                                   │
│                                       │
│  访问：实例.字段名                     │
└──────────────────────────────────────┘

最简示例

struct User {
    username: String,
    active: bool,
}

fn main() {
    let user = User {
        username: String::from("alice"),
        active: true,
    };
    println!("{}", user.username);
}

▶ Run

问题场景

// 问题：描述一个人
// 使用多个独立变量（混乱）
let name1 = String::from("Alice");
let age1 = 25;
let email1 = String::from("alice@example.com");

let name2 = String::from("Bob");
let age2 = 30;
let email2 = String::from("bob@example.com");

// 问题：
// 1. 数据分散，不直观
// 2. 难以传递给函数
// 3. 容易搞混（name1 对应 age1 吗？）

▶ Run

结构体的解决方案

// 使用结构体（清晰）
struct Person {
    name: String,
    age: u32,
    email: String,
}

let person1 = Person {
    name: String::from("Alice"),
    age: 25,
    email: String::from("alice@example.com"),
};

let person2 = Person {
    name: String::from("Bob"),
    age: 30,
    email: String::from("bob@example.com"),
};

// 优势：
// 1. 数据组织在一起，语义清晰
// 2. 容易传递和使用
// 3. 类型安全

▶ Run

结构体 vs 元组

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│           结构体 vs 元组                             │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                     │
│  元组 (Tuple)                                       │
│  ├── 字段无名字（.0, .1, .2）                       │
│  ├── 适合临时组合                                   │
│  └── 例：(x, y) = 坐标                              │
│                                                     │
│  结构体 (Struct)                                    │
│  ├── 字段有名字（.name, .age）                      │
│  ├── 适合描述现实事物                               │
│  └── 例：Person { name, age, email }               │
│                                                     │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

---

定义和创建结构体

基本语法

// 步骤 1：定义结构体
struct User {
    active: bool,      // 字段名：类型
    username: String,
    email: String,
    sign_in_count: u64,
}

// 步骤 2：创建实例
fn main() {
    let user1 = User {
        active: true,
        username: String::from("alice"),
        email: String::from("alice@example.com"),
        sign_in_count: 1,
    };

    // 访问字段
    println!("用户名：{}", user1.username);
    println!("邮箱：{}", user1.email);
}

▶ Run

结构体内存布局

struct User {
    active: bool,      // 1 字节
    username: String,  // 24 字节（指针 + 长度 + 容量）
    email: String,     // 24 字节
    sign_in_count: u64, // 8 字节
}

内存布局（简化）：
┌─────────┬──────────────┬──────────────┬─────────┐
│ active  │   username   │    email     │  count  │
│ 1 byte  │  24 bytes    │  24 bytes    │ 8 bytes │
└─────────┴──────────────┴──────────────┴─────────┘

实际大小：约 57-64 字节（考虑内存对齐）

可变结构体

struct User {
    active: bool,
    username: String,
}

fn main() {
    // 不可变实例
    let user1 = User {
        active: true,
        username: String::from("alice"),
    };

    // user1.username = String::from("bob");  // ❌ 错误

    // 可变实例
    let mut user2 = User {
        active: true,
        username: String::from("alice"),
    };

    user2.username = String::from("bob");  // ✅ 正确
    user2.active = false;  // ✅ 正确

    println!("用户名：{}", user2.username);
}

▶ Run

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字段初始化简写

当变量名与字段名相同时

struct User {
    username: String,
    email: String,
    active: bool,
}

fn main() {
    // 传统写法（冗余）
    let username = String::from("alice");
    let email = String::from("alice@example.com");

    let user1 = User {
        username: username,  // 重复
        email: email,        // 重复
        active: true,
    };

    // 简写写法（推荐）
    let username = String::from("bob");
    let email = String::from("bob@example.com");

    let user2 = User {
        username,  // 等同于 username: username
        email,     // 等同于 email: email
        active: true,
    };

    println!("user1: {}, user2: {}", user1.username, user2.username);
}

▶ Run

函数返回结构体

struct User {
    username: String,
    email: String,
    active: bool,
    sign_in_count: u64,
}

// 使用简写
fn build_user(email: String, username: String) -> User {
    User {
        email,      // 等同于 email: email
        username,   // 等同于 username: username
        active: true,
        sign_in_count: 1,
    }
}

fn main() {
    let user = build_user(
        String::from("test@example.com"),
        String::from("testuser")
    );

    println!("用户：{} ({})", user.username, user.email);
}

▶ Run

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小结

• 结构体将相关数据组织在一起，字段有名字（比元组更清晰）
• struct Name { field: Type } 定义，Name { field: value } 创建
• let mut 使整个实例可变，不支持单个字段可变
• 字段初始化简写：当变量名与字段名相同时可省略

练习题

详见：练习题