C/C+语言struct深层探索 (转)

C/C+语言struct深层探索     
  
  作者：宋宝华               出处：PConline 
  
  1.   struct的巨大作用 
  　　面对一个人的大型C/C++程序时，只看其对struct的使用情况我们就可以对其编写者的编程经验进行评估。因为一个大型的C/C++程序，势必要涉及一些(甚至大量)进行数据组合的结构体，这些结构体可以将原本意义属于一个整体的数据组合在一起。从某种程度上来说，会不会用struct，怎样用 struct是区别一个开发人员是否具备丰富开发经历的标志。 
  
  　　在网络协议、通信控制、嵌入式系统的C/C++编程中，我们经常要传送的不是简单的字节流（char型数组），而是多种数据组合起来的一个整体，其表现形式是一个结构体。 
  
  　　经验不足的开发人员往往将所有需要传送的内容依顺序保存在char型数组中，通过指针偏移的方法传送网络报文等信息。这样做编程复杂，易出错，而且一旦控制方式及通信协议有所变化，程序就要进行非常细致的修改。 
  
  　　一个有经验的开发者则灵活运用结构体，举一个例子，假设网络或控制协议中需要传送三种报文，其格式分别为packetA、packetB、packetC： 
  
  struct   structA   
  { 
  int   a; 
  char   b; 
  }; 
  
  struct   structB   
  { 
  char   a; 
  short   b; 
  }; 
  
  struct   structC 
  { 
  int   a; 
  char   b; 
  float   c; 
  } 
  　　优秀的程序设计者这样设计传送的报文： 
  
  struct   CommuPacket 
  { 
  int   iPacketType;　　//报文类型标志 
  union　　　　　　//每次传送的是三种报文中的一种，使用union 
  { 
      struct   structA   packetA; 
      struct   structB   packetB; 
      struct   structC   packetC; 
  } 
  }; 
  　　在进行报文传送时，直接传送struct   CommuPacket一个整体。 
  
  　　假设发送函数的原形如下： 
  
  //   pSendData：发送字节流的首地址，iLen：要发送的长度 
  Send(char   *   pSendData,   unsigned   int     iLen); 
  发送方可以直接进行如下调用发送struct   CommuPacket的一个实例sendCommuPacket： 
  Send(   (char   *)&sendCommuPacket   ,   sizeof(CommuPacket)   ); 
  假设接收函数的原形如下： 
  //   pRecvData：发送字节流的首地址，iLen：要接收的长度 
  //返回值：实际接收到的字节数 
  unsigned   int   Recv(char   *   pRecvData,   unsigned   int     iLen)； 
  　　接收方可以直接进行如下调用将接收到的数据保存在struct   CommuPacket的一个实例recvCommuPacket中： 
  
  Recv(   (char   *)&recvCommuPacket   ,   sizeof(CommuPacket)   ); 
  　　接着判断报文类型进行相应处理： 
  
  switch(recvCommuPacket.   iPacketType) 
  { 
          case   PACKET_A: 
          …         //A类报文处理 
          break; 
          case   PACKET_B: 
          …　     //B类报文处理 
          break; 
          case   PACKET_C: 
          …       //C类报文处理 
          break; 
  } 
  　　以上程序中最值得注意的是 
  
  Send(   (char   *)&sendCommuPacket   ,   sizeof(CommuPacket)   ); 
  Recv(   (char   *)&recvCommuPacket   ,   sizeof(CommuPacket)   ); 
  　　中的强制类型转换：(char   *)&sendCommuPacket、(char   *)&recvCommuPacket，先取地址，再转化为char型指针，这样就可以直接利用处理字节流的函数。 
  
  　　利用这种强制类型转化，我们还可以方便程序的编写，例如要对sendCommuPacket所处内存初始化为0，可以这样调用标准库函数memset()： 
  
  memset((char   *)&sendCommuPacket,0,   sizeof(CommuPacket)); 
  
  2.   struct的成员对齐 
  　　Intel、微软等公司曾经出过一道类似的面试题： 
  
  1.   #include   <iostream.h> 
  
  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   <<   sizeof(example1)   <<   endl; 
  19.   cout   <<   sizeof(example2)   <<   endl; 
  20.   cout   <<   (unsigned   int)(&struct2.struct1)   -   (unsigned   int)(&struct2)   
  <<   endl; 
  
  21.   return   0; 
  22.   } 
  　　问程序的输入结果是什么？ 
  
  　　答案是： 
  
  8 
  16 
  4 
  
  　　不明白？还是不明白？下面一一道来： 
  
  2.1   自然对界 
  
  　　struct是一种复合数据类型，其构成元素既可以是基本数据类型（如int、long、float等）的变量，也可以是一些复合数据类型（如 array、struct、union等）的数据单元。对于结构体，编译器会自动进行成员变量的对齐，以提高运算效率。缺省情况下，编译器为结构体的每个成员按其自然对界（natural   alignment）条件分配空间。各个成员按照它们被声明的顺序在内存中顺序存储，第一个成员的地址和整个结构的地址相同。 
  
  　　自然对界(natural   alignment)即默认对齐方式，是指按结构体的成员中size最大的成员对齐。 
  
  　　例如： 
  
  struct   naturalalign 
  { 
  char   a; 
  short   b; 
  char   c; 
  }; 
  　　在上述结构体中，size最大的是short，其长度为2字节，因而结构体中的char成员a、c都以2为单位对齐，sizeof(naturalalign)的结果等于6； 
  
  　　如果改为： 
  
  struct   naturalalign 
  { 
  char   a; 
  int   b; 
  char   c; 
  }; 
  　　其结果显然为12。 
  
  2.2指定对界 
  
  　　一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件： 
  
  　　·   使用伪指令#pragma   pack   (n)，编译器将按照n个字节对齐； 
  　　·   使用伪指令#pragma   pack   ()，取消自定义字节对齐方式。 
  
  　　注意：如果#pragma   pack   (n)中指定的n大于结构体中最大成员的size，则其不起作用，结构体仍然按照size最大的成员进行对界。 
  
  　　例如： 
  
  #pragma   pack   (n) 
  struct   naturalalign 
  { 
  char   a; 
  int   b; 
  char   c; 
  }; 
  #pragma   pack   () 
  　　当n为4、8、16时，其对齐方式均一样，sizeof(naturalalign)的结果都等于12。而当n为2时，其发挥了作用，使得sizeof(naturalalign)的结果为8。 
  
  　　在VC++   6.0编译器中，我们可以指定其对界方式，其操作方式为依次选择projetct   >   setting   >   C/C++菜单，在struct   member   alignment中指定你要的对界方式。 
  
  　　另外，通过__attribute((aligned   (n)))也可以让所作用的结构体成员对齐在n字节边界上，但是它较少被使用，因而不作详细讲解。 
  
  2.3   面试题的解答 
  
  　　至此，我们可以对Intel、微软的面试题进行全面的解答。 
  
  　　程序中第2行#pragma   pack   (8)虽然指定了对界为8，但是由于struct   example1中的成员最大size为4（long变量size为4），故struct   example1仍然按4字节对界，struct   example1的size为8，即第18行的输出结果； 
  
  　　struct   example2中包含了struct   example1，其本身包含的简单数据成员的最大size为2（short变量e），但是因为其包含了struct   example1，而struct   example1中的最大成员size为4，struct   example2也应以4对界，#pragma   pack   (8)中指定的对界对struct   example2也不起作用，故19行的输出结果为16； 
  
  　　由于struct   example2中的成员以4为单位对界，故其char变量c后应补充3个空，其后才是成员struct1的内存空间，20行的输出结果为4。 
  
  
  3.   C和C++间struct的深层区别 
  　　在C++语言中struct具有了“类”　的功能，其与关键字class的区别在于struct中成员变量和函数的默认访问权限为public，而class的为private。 
  
  　　例如，定义struct类和class类： 
  
  struct   structA 
  { 
  char   a; 
  … 
  } 
  class   classB 
  { 
              char   a; 
              … 
  } 
  　　则： 
  
  struct   A   a; 
  a.a   =   'a';         //访问public成员，合法 
  classB   b; 
  b.a   =   'a';         //访问private成员，不合法 
  　　许多文献写到这里就认为已经给出了C++中struct和class的全部区别，实则不然，另外一点需要注意的是： 
  
  　　C++中的struct保持了对C中struct的全面兼容（这符合C++的初衷——“a   better   c”），因而，下面的操作是合法的： 
  
  //定义struct 
  struct   structA 
  { 
  char   a; 
  char   b; 
  int   c; 
  }; 
  structA   a   =   {'a'   ,   'a'   ,1};         //     定义时直接赋初值 
  　　即struct可以在定义的时候直接以{   }对其成员变量赋初值，而class则不能，在经典书目《thinking   C++   2nd   edition》中作者对此点进行了强调。 
  
  4.   struct编程注意事项 
  　　看看下面的程序： 
  
  1.   #include   <iostream.h> 
  
  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   =   &c;   
  
  13.instant2   =   instant1; 
  
  14.cout   <<   *(instant1.cMember)   <<   endl; 
  
  15.*(instant2.cMember)   =   'b'; 
  
  16.   cout   <<   *(instant1.cMember)   <<   endl; 
  
  17.   return   0; 
  } 
  　　14行的输出结果是：a 
  　　16行的输出结果是：b 
  
  　　Why?我们在15行对instant2的修改改变了instant1中成员的值！ 
  
  　　原因在于13行的instant2   =   instant1赋值语句采用的是变量逐个拷贝，这使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片内存，因而对instant2的修改也是对instant1的修改。 
  
  　　在C语言中，当结构体中存在指针型成员时，一定要注意在采用赋值语句时是否将2个实例中的指针型成员指向了同一片内存。 
  
  　　在C++语言中，当结构体中存在指针型成员时，我们需要重写struct的拷贝构造函数并进行“=”操作符重载。