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C/C+语言struct深层探索 (转自CSDN)

Posted on 2006-03-20 16:43 高山流水 阅读(241) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: IT
 
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 4 8 16 时,其对齐方式均一样, sizeof(naturalalign) 的结果都等于 12 。而当 n 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 #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 4 long 变量 size 4 ),故 struct example1 仍然按 4 字节对界, struct example1 size 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 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 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
C++ 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++ struct 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 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 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。
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