C/C+語言struct深層探索

2019-11-17 05:03:31

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1. strUCt的巨大作用

　　面對一個人的大型C/C++程序時，只看其對struct的使用情況我們就可以對其編寫者的編程經驗進行評估。因為一個大型的C/C++程序，勢必要涉及一些(甚至大量)進行數據組合的結構體，這些結構體可以將原本意義屬于一個整體的數據組合在一起。

從某種程度上來說，會不會用struct，怎樣用struct是區別一個開發人員是否具備豐富開發經歷的標志。　　在網絡協議、通信控制、嵌入式系統的C/C++編程中，我們經常要傳送的不是簡單的字節流（char型數組），而是多種數據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將所有需要傳送的內容依順序保存在char型數組中，通過指針偏移的方法傳送網絡報文等信息。這樣做編程復雜，易出錯，而且一旦控制方式及通信協議有所變化，程序就要進行非常細致的修改。　　一個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉一個例子，假設網絡或控制協議中需要傳送三種報文，其格式分別為packetA、packetB、packetC：struct structA
{
int a;
char b;
};

struct structB
{
char a;
short b;
};

struct structC
{
int a;
char b;
float c;
}　　優秀的程序設計者這樣設計傳送的報文：struct CommuPacket
{
int ipacketType;　　//報文類型標志
union　　　　　　//每次傳送的是三種報文中的一種，使用union
{
  struct structA packetA;
  struct structB packetB;
  struct structC packetC;
}
};　　在進行報文傳送時，直接傳送struct CommuPacket一個整體。　　假設發送函數的原形如下：// pSendData：發送字節流的首地址，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的一個實例sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設接收函數的原形如下：
// PRecvData：發送字節流的首地址，iLen：要接收的長度
//返回值：實際接收到的字節數
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen)；　　接收方可以直接進行如下調用將接收到的數據保存在struct CommuPacket的一個實例recvCommuPacket中：Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );　　接著判定報文類型進行相應處理：switch(recvCommuPacket. iPacketType)
{
    case PACKET_A:
    …    //A類報文處理
    break;
    case PACKET_B:
    …　 //B類報文處理
    break;
    case PACKET_C:
    …   //C類報文處理
    break;
}　　以上程序中最值得注重的是Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );　　中的強制類型轉換：(char *)&sendCommuPacket、(char *)&recvCommuPacket，先取地址，再轉化為char型指針，這樣就可以直接利用處理字節流的函數。　　利用這種強制類型轉化，我們還可以方便程序的編寫，例如要對sendCommuPacket所處內存初始化為0，可以這樣調用標準庫函數memset()：memset((char *)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2. struct的成員對齊

　　Intel、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題：

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. }　　問程序的輸入結果是什么？　　答案是：8
16
4　　不明白？還是不明白？下面一一道來：
2.1 自然對界　　struct是一種復合數據類型，其構成元素既可以是基本數據類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復合數據類型（如array、struct、union等）的數據單元。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。

缺省情況下，編譯器為結構體的每個成員按其自然對界（natural alignment）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。　　自然對界(natural alignment)即默認對齊方式，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字節，因而結構體中的char成員a、c都以2為單位對齊，sizeof(naturalalign)的結果等于6；　　假如改為：struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};　　其結果顯然為12。2.2指定對界　　一般地，可以通過下面的方法來改變缺省的對界條件：　　· 使用偽指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個字節對齊；
　　· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。　　注重：假如#pragma pack (n)中指定的n大于結構體中最大成員的size，則其不起作用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。　　例如：#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#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 > setting > C/C++菜單，在struct member alignment中指定你要的對界方式。 C/C+語言struct深層探索

圖1：在VC++ 6.0中指定對界方式　　另外，通過__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結構體成員對齊在n字節邊界上，但是它較少被使用，因而不作具體講解。2.3 面試題的解答　　至此，我們可以對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。　　程序中第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字節對界，struct example1的size為8，即第18行的輸出結果；　　struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡單數據成員的最大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為單位對界，故其char變量c后應補充3個空，其后才是成員struct1的內存空間，20行的輸出結果為4。

3. C和C++間struct的深層區別

　　在C++語言中struct具有了“類”　的功能，其與要害字class的區別在于struct中成員變量和函數的默認訪問權限為public，而class的為private。　　例如，定義struct類和class類：

struct structA

{
char a;
…
}
class classB
{
      char a;
      …
}　　則：struct A a;
a.a = 'a';    //訪問public成員，合法
classB b;
b.a = 'a';    //訪問private成員，不合法　　許多文獻寫到這里就認為已經給出了C++中struct和class的全部區別，實則不然，另外一點需要注重的是：　　C++中的struct保持了對C中struct的全面兼容（這符合C++的初衷——“a better c”），因而，下面的操作是合法的：//定義struct
struct structA
{
char a;
char b;
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++ 2nd edition》中作者對此點進行了強調。

4. struct編程注重事項

　　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賦值語句采用的是變量逐個拷貝，這使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片內存，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，一定要注重在采用賦值語句時是否將2個實例中的指針型成員指向了同一片內存。　　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。

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