本文系统讲解 C++ struct：基础语法与与 class 的差异、初始化与聚合、内存布局与对齐、位域、继承与多态可行性、与 C 的互操作、现代 C++ 特性、最佳实践与常见陷阱。包含可运行示例与构建指令。

目录

• 结构体基础与语法
• struct 与 class 的区别
• 初始化与聚合（Aggregate）
• 内存布局与对齐（标准布局/POD）
• 位域（Bit-field）
• 继承与多态（可行性与影响）
• 与 C 的互操作
• 现代 C++ 特性要点
• 示例与构建
• 最佳实践与常见陷阱

结构体基础与语法

• struct 是用户自定义类型，和 class 本质相同，唯一区别是默认访问说明符与继承是 public。
• 成员可包括：数据成员、成员函数（含构造/析构）、静态成员、嵌套类型、类型别名。
• 作用域解析：StructName::member；头文件声明、源文件实现可分离。

示例：

struct Point {
    int x{0};
    int y{0};
    void move(int dx, int dy) { x += dx; y += dy; }
};

struct 与 class 的区别

• 默认访问：struct 默认 public，class 默认 private；除此之外语义完全相同。
• 风格约定：常将 struct 用于“纯数据载体”（POD/聚合）或轻量对象；class 用于封装更强的类型与不变量。
• 访问控制：struct 也可显式使用 private/protected，并具有构造、析构、虚函数、继承等能力。

初始化与聚合（Aggregate）

• 聚合类型：无用户自定义构造、无私有/受保护非静态成员、无虚函数、无基类等条件满足时，struct 为聚合。
• 聚合初始化：使用花括号按成员顺序初始化，支持 C++20 指定初始化（部分编译器支持有限）。

示例：

struct Color { int r; int g; int b; };
Color c1{255, 128, 64}; // 聚合初始化

内存布局与对齐（标准布局/POD）

• 标准布局（standard-layout）：保证成员顺序与内存布局的可预期性，便于与 C 交互与序列化。
• POD（Plain Old Data）：满足标准布局且平凡（trivial）的类型，支持 C 风格初始化与二进制拷贝。
• 对齐：类型有对齐要求（alignof(T)），编译器可能插入填充字节（padding）。
• 观察布局：sizeof(T)、offsetof(T, member) 可用于了解大小与偏移。

示例：

#include 
<cstddef>
struct alignas(16) Vec4 { float x,y,z,w; };
static_assert(alignof(Vec4) == 16);
static_assert(sizeof(Vec4) == 16);
size_t offx = offsetof(Vec4, x); // 0

位域（Bit-field）

• 位域允许以位级粒度定义成员宽度：unsigned flags:3;。
• 注意事项：实现相关的布局与端序、跨平台差异、与 sizeof/offsetof 的交互；常用于嵌入式或协议头。

示例：

struct Header {
    unsigned version:4;
    unsigned type:4;
    unsigned length:16;
};

继承与多态（可行性与影响）

• struct 可继承与定义虚函数，多态能力与 class 一致；含虚函数会引入虚表指针影响布局。
• 默认继承是 public：struct Derived : Base {}；当作接口也需虚析构。

示例：

struct Shape { virtual ~Shape() = default; virtual double area() const = 0; };
struct Rect : Shape { double w{}, h{}; double area() const override { return w*h; } };

与 C 的互操作

• 与 C 接口互通通常需要标准布局且避免 C++ 特性（虚函数、非平凡构造/析构）。
• 使用 extern "C" 暴露函数名以避免名称修饰；结构体作为数据交换需保证 ABI 兼容。
• 谨慎使用 #pragma pack 修改对齐；更建议用 alignas 与静态断言校验大小。

示例：

extern "C" {
    struct CPoint { int x; int y; };
    void process_point(struct CPoint* p); // C 风格接口
}
static_assert(std::is_standard_layout
<CPoint>::value, "must be standard layout");

现代 C++ 特性要点

• =default/=delete：控制特殊成员函数的生成或禁用。
• constexpr/consteval：编译期常量与编译期计算的结构体方法/构造。
• [[nodiscard]]：防止忽略关键返回值；noexcept：强异常安全保证与优化提示。
• 规则（Three/Five/Zero）：资源管理最好交由标准容器/智能指针，结构体保持聚合风格。

示例：

struct Config {
    int port{};
    [[nodiscard]] bool valid() const noexcept { return port > 0; }
};

示例与构建

struct_demo.cpp

#include 
<iostream>
#include 
<cstddef>
#include 
<type_traits>

struct Color { int r; int g; int b; };
struct alignas(16) Vec4 { float x,y,z,w; };
struct Header { unsigned version:4; unsigned type:4; unsigned length:16; };

int main() {
    Color c{255,128,64};
    std::cout << c.r << "," << c.g << "," << c.b << "\n";

    Vec4 v{1,2,3,4};
    std::cout << "alignof(Vec4)=" << alignof(Vec4) << ", sizeof(Vec4)=" << sizeof(Vec4) << "\n";
    std::cout << "offsetof(Vec4::x)=" << offsetof(Vec4, x) << "\n";

    Header h{1,2,100};
    std::cout << "version=" << h.version << ", type=" << h.type << ", length=" << h.length << "\n";

    static_assert(std::is_standard_layout
<Color>::value);
    return 0;
}

构建与运行（macOS zsh）：

clang++ -std=gnu++20 struct_demo.cpp -o struct_demo
./struct_demo

最佳实践与常见陷阱

• 用于数据载体时保持聚合特性，避免引入虚函数/私有成员导致失去聚合初始化。
• 注意填充与对齐，序列化/与 C 交互前用 static_assert(sizeof(T)==预期) 验证。
• 位域跨平台差异显著；协议头尽量使用显式字节序与序列化函数，不直接依赖位域布局。
• 初始化顺序与成员声明顺序一致；避免未初始化成员。
• 与 C 接口交互时避免使用异常、模板、复杂构造；保持标准布局与平凡性。