【struck学习】简化设计、数据对齐
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。
一.简化设计
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:
![image image](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/lu-yang/201111/201111291520364764.png)
优秀的程序设计者这样设计传送的报文:
![image image](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/lu-yang/201111/20111129152217129.png)
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:
![image image](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/lu-yang/201111/201111291522188078.png)
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));
二.struct成员对齐
2.1 引子——由一道面试题引发的思考
![image image](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/lu-yang/201111/201111291522191916.png)
2.2 自然对齐
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齐(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。自然对齐(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。
2.3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(见图1),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。
![c语言资料-C/C+语言struct深层探索](http://www.pconline.com.cn/pcedu/empolder/gj/c/0508/pic/11cstruct01.gif)
图1:在VC++ 6.0中指定对界方式
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。
2.4 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。
三. struct编程注意事项
看看下面的程序:
![image image](https://images.cnblogs.com/cnblogs_com/lu-yang/201111/201111291522232600.png)
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。
作者:斯涵
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