Re: Programming C/C++中struct的深层探索

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
void 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：

void 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));
memset((char *)&recvCommuPacket,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：

#include <iostream.h>


#pragma pack(8)


struct example1
{
　　short a;
　　long b;
};


struct example2
{
　　char c;
　　example1 struct1;
　　short e;
};


#pragma pack()


int main(int argc, char* argv[])
{
　　example2 struct2;
　　cout << sizeof(example1) << endl;
　　cout << sizeof(example2) << endl;
　　cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2) << endl;
　　return 0;
}

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6。
　　在VS 2008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->property-> C/C++->Code Generation，在Struct Member Alignment 中指定你要的对界方式。

　　　　　　　　　　　　　　图1 在VS 2008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。

2.3 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：

structA 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：

#include <iostream.h>
struct structA
{
    int iMember;
    char *cMember;
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    structA instant1,instant2;
    char c = 'a';
    instant1.iMember = 1;
    instant1.cMember = &c;
    instant2 = instant1;
    cout << *(instant1.cMember) << endl;
    *(instant2.cMember) = 'b';
    cout << *(instant1.cMember) << endl;
    return 0;
}

　　15 行的输出结果是：a
　　17 行的输出结果是：b
　　为什么呢？我们在16 行对instant2 的修改改变了instant1 中成员的值！
　　原因在于14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。