C/C+語言struct深層探索

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<b>出處：PConline  作者：宋寶華  </b>

 

<b>1.     </b><b>struct</b><b>的巨大作用</b>

面對一個人的大型C/C++程式時，隻看其對struct的使用情況我們就可以對其編寫者的程式設計經驗進行評估。因為一個大型的C/C++程式，勢必要涉及一些(甚至大量)進行資料組合的結構體，這些結構體可以将原本意義屬于一個整體的資料組合在一起。從某種程度上來說，會不會用struct，怎樣用struct是差別一個開發人員是否具備豐富開發經曆的标志。

在網絡協定、通信控制、嵌入式系統的C/C++程式設計中，我們經常要傳送的不是簡單的位元組流（char型數組），而是多種資料組合起來的一個整體，其表現形式是一個結構體。

經驗不足的開發人員往往将所有需要傳送的内容依順序儲存在char型數組中，通過指針偏移的方法傳送網絡封包等資訊。這樣做程式設計複雜，易出錯，而且一旦控制方式及通信協定有所變化，程式就要進行非常細緻的修改。

一個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉一個例子，假設網絡或控制協定中需要傳送三種封包，其格式分别為packetA、packetB、packetC：

struct structA

{

int a;

char b;

};

struct structB

char a;

short b;

struct structC

float c;

}

優秀的程式設計者這樣設計傳送的封包：

struct CommuPacket

int iPacketType;　　//封包類型标志

union　　　　　　//每次傳送的是三種封包中的一種，使用union

        struct structA packetA;

        struct structB packetB;

        struct structC packetC;

在進行封包傳送時，直接傳送struct CommuPacket一個整體。

假設發送函數的原形如下：

// pSendData：發送位元組流的首位址，iLen：要發送的長度

Send(char * pSendData, unsigned int  iLen);

發送方可以直接進行如下調用發送struct CommuPacket的一個執行個體sendCommuPacket：

Send( (char *)&amp;sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

假設接收函數的原形如下：

// pRecvData：發送位元組流的首位址，iLen：要接收的長度

//傳回值：實際接收到的位元組數

unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int  iLen)；

接收方可以直接進行如下調用将接收到的資料儲存在struct CommuPacket的一個執行個體recvCommuPacket中：

Recv( (char *)&amp;recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );

接着判斷封包類型進行相應處理：

switch(recvCommuPacket. iPacketType)

case PACKET_A:

…    //A類封包處理

break;

case PACKET_B:

…　  //B類封包處理

case PACKET_C:

…   //C類封包處理

以上程式中最值得注意的是

中的強制類型轉換：(char *)&amp;sendCommuPacket、(char *)&amp;recvCommuPacket，先取位址，再轉化為char型指針，這樣就可以直接利用處理位元組流的函數。

利用這種強制類型轉化，我們還可以友善程式的編寫，例如要對sendCommuPacket所處記憶體初始化為0，可以這樣調用标準庫函數memset()：

memset((char *)&amp;sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

<b>2.     </b><b>struct</b><b>的成員對齊</b>

Intel、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題：

1. #include &lt;iostream.h&gt;

2. #pragma pack(8)

3. struct example1

4. {

5. short a;

       6. long b;

7. };

8. struct example2

9. {

       10. char c;

       11. example1 struct1;

       12. short e;   

13. };

14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv[])

16. {

       17. example2 struct2;

       18. cout &lt;&lt; sizeof(example1) &lt;&lt; endl;

19. cout &lt;&lt; sizeof(example2) &lt;&lt; endl;

       20. cout &lt;&lt; (unsigned int)(&amp;struct2.struct1) - (unsigned int)(&amp;struct2)

&lt;&lt; endl;

       21. return 0;

22. }

問程式的輸入結果是什麼？

答案是：

8

16

4

不明白？還是不明白？下面一一道來：

<b>2.1 </b><b>自然對界</b>

struct是一種複合資料類型，其構成元素既可以是基本資料類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些複合資料類型（如array、struct、union等）的資料單元。對于結構體，編譯器會自動進行成員變量的對齊，以提高運算效率。預設情況下，編譯器為結構體的每個成員按其自然對界（natural alignment）條件配置設定空間。各個成員按照它們被聲明的順序在記憶體中順序存儲，第一個成員的位址和整個結構的位址相同。

自然對界(natural alignment)即預設對齊方式，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

例如：

struct naturalalign

     char a;

     short b;

     char c;

在上述結構體中，size最大的是short，其長度為2位元組，因而結構體中的char成員a、c都以2為機關對齊，sizeof(naturalalign)的結果等于6；

如果改為：

     int b;

其結果顯然為12。

<b>2.2</b><b>指定對界</b>

一般地，可以通過下面的方法來改變預設的對界條件：

　　· 使用僞指令#pragma pack (n)，編譯器将按照n個位元組對齊；

· 使用僞指令#pragma pack ()，取消自定義位元組對齊方式。

注意：<b>如果</b><b>#pragma pack (n)</b><b>中指定的</b><b>n</b><b>大于結構體中最大成員的</b><b>size</b><b>，則其不起作用，結構體仍然按照</b><b>size</b><b>最大的成員進行對界。</b>

#pragma pack (n)

#pragma pack ()

當n為4、8、16時，其對齊方式均一樣，sizeof(naturalalign)的結果都等于12。而當n為2時，其發揮了作用，使得sizeof(naturalalign)的結果為8。

在VC++ 6.0編譯器中，我們可以指定其對界方式（見圖1），其操作方式為依次選擇projetct &gt; setting &gt; C/C++菜單，在struct member alignment中指定你要的對界方式。

<b>圖</b><b>1</b><b>　在</b><b>VC++ 6.0</b><b>中指定對界方式</b>

另外，通過__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結構體成員對齊在n位元組邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細講解。

<b>2.3    </b><b>面試題的解答</b>

至此，我們可以對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

程式中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對界為8，但是由于struct example1中的成員最大size為4（long變量size為4），故struct example1仍然按4位元組對界，struct example1的size為8，即第18行的輸出結果；

struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡單資料成員的最大size為2（short變量e），但是因為其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size為4，struct example2也應以4對界，#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起作用，故19行的輸出結果為16；

由于struct example2中的成員以4為機關對界，故其char變量c後應補充3個空，其後才是成員struct1的記憶體空間，20行的輸出結果為4。

<b>3.     </b><b>C</b><b>和</b><b>C++</b><b>間</b><b>struct</b><b>的深層差別</b>

在C++語言中struct具有了“類”　的功能，其與關鍵字class的差別在于struct中成員變量和函數的預設通路權限為public，而class的為private。

例如，定義struct類和class類：

…

class classB

      char a;

      …

則：

struct A a;

a.a = 'a';    //通路public成員，合法

classB b;

b.a = 'a';    //通路private成員，不合法

許多文獻寫到這裡就認為已經給出了C++中struct和class的全部差別，實則不然，另外一點需要注意的是：

C++中的struct保持了對C中struct的全面相容（這符合C++的初衷——“a better c”），因而，下面的操作是合法的：

//定義struct

int c;

structA a = {'a' , 'a' ,1};    //  定義時直接賦初值

即struct可以在定義的時候直接以{ }對其成員變量賦初值，而class則不能，在經典書目《thinking C++ 2ndedition》中作者對此點進行了強調。

<b>4.     </b><b>struct</b><b>程式設計注意事項</b>

看看下面的程式：

2. struct structA

3. {

4. int iMember;

5.  char *cMember;

6. };

7. int main(int argc, char* argv[])

8. {

9.  structA instant1,instant2;

10.char c = 'a';

11. instant1.iMember = 1;

12. instant1.cMember = &amp;c;

13.instant2 = instant1;

14.cout &lt;&lt; *(instant1.cMember) &lt;&lt; endl;

15.*(instant2.cMember) = 'b';

16. cout &lt;&lt; *(instant1.cMember) &lt;&lt; endl;

17. return 0;

14行的輸出結果是：a

16行的輸出結果是：b

Why?我們在15行對instant2的修改改變了instant1中成員的值！

原因在于13行的instant2 = instant1指派語句采用的是變量逐個拷貝，這使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片記憶體，因而對instant2的修改也是對instant1的修改。

在C語言中，當結構體中存在指針型成員時，一定要注意在采用指派語句時是否将2個執行個體中的指針型成員指向了同一片記憶體。

在C++語言中，當結構體中存在指針型成員時，我們需要重寫struct的拷貝構造函數并進行“=”操作符重載。

 本文轉自 21cnbao 51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/21cnbao/120795，如需轉載請自行聯系原作者