C/C+語(yǔ)言struct深層探索

出處：PConline

1. struct的巨大作用
　　面對(duì)一個(gè)人的大型C/C++程序時(shí)，只看其對(duì)struct的使用情況我們就可以對(duì)其編寫者的編程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。因?yàn)橐粋€(gè)大型的C/C++程序，勢(shì)必要涉及一些(甚至大量)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合的結(jié)構(gòu)體，這些結(jié)構(gòu)體可以將原本意義屬于一個(gè)整體的數(shù)據(jù)組合在一起。從某種程度上來說，會(huì)不會(huì)用struct，怎樣用struct是區(qū)別一個(gè)開發(fā)人員是否具備豐富開發(fā)經(jīng)歷的標(biāo)志。

　　在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信控制、嵌入式系統(tǒng)的C/C++編程中，我們經(jīng)常要傳送的不是簡(jiǎn)單的字節(jié)流（char型數(shù)組），而是多種數(shù)據(jù)組合起來的一個(gè)整體，其表現(xiàn)形式是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。

　　經(jīng)驗(yàn)不足的開發(fā)人員往往將所有需要傳送的內(nèi)容依順序保存在char型數(shù)組中，通過指針偏移的方法傳送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文等信息。這樣做編程復(fù)雜，易出錯(cuò)，而且一旦控制方式及通信協(xié)議有所變化，程序就要進(jìn)行非常細(xì)致的修改。

　　一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者則靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)體，舉一個(gè)例子，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)或控制協(xié)議中需要傳送三種報(bào)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(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)者這樣設(shè)計(jì)傳送的報(bào)文：

struct CommuPacket
{
int iPacketType;　　//報(bào)文類型標(biāo)志
union　　　　　　//每次傳送的是三種報(bào)文中的一種，使用union
{
? struct structA packetA;
? struct structB packetB;
? struct structC packetC;
}
};
　　在進(jìn)行報(bào)文傳送時(shí)，直接傳送struct CommuPacket一個(gè)整體。

　　假設(shè)發(fā)送函數(shù)的原形如下：

// pSendData：發(fā)送字節(jié)流的首地址，iLen：要發(fā)送的長(zhǎng)度
Send(char * pSendData, unsigned int? iLen);
發(fā)送方可以直接進(jìn)行如下調(diào)用發(fā)送struct CommuPacket的一個(gè)實(shí)例sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設(shè)接收函數(shù)的原形如下：
// pRecvData：發(fā)送字節(jié)流的首地址，iLen：要接收的長(zhǎng)度
//返回值：實(shí)際接收到的字節(jié)數(shù)
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int? iLen)；
　　接收方可以直接進(jìn)行如下調(diào)用將接收到的數(shù)據(jù)保存在struct CommuPacket的一個(gè)實(shí)例recvCommuPacket中：

Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
　　接著判斷報(bào)文類型進(jìn)行相應(yīng)處理：

switch(recvCommuPacket. iPacketType)
{
??? case PACKET_A:
??? …??? //A類報(bào)文處理
??? break;
??? case PACKET_B:
??? …　? //B類報(bào)文處理
??? break;
??? case PACKET_C:
??? …?? //C類報(bào)文處理
??? break;
}
　　以上程序中最值得注意的是

Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
　　中的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換：(char *)&sendCommuPacket、(char *)&recvCommuPacket，先取地址，再轉(zhuǎn)化為char型指針，這樣就可以直接利用處理字節(jié)流的函數(shù)。

　　利用這種強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化，我們還可以方便程序的編寫，例如要對(duì)sendCommuPacket所處內(nèi)存初始化為0，可以這樣調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)memset()：

memset((char *)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2. struct的成員對(duì)齊
　　Intel、微軟等公司曾經(jīng)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(jié)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(duì)界
　　struct是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類型（如array、struct、union等）的數(shù)據(jù)單元。對(duì)于結(jié)構(gòu)體，編譯器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行成員變量的對(duì)齊，以提高運(yùn)算效率。缺省情況下，編譯器為結(jié)構(gòu)體的每個(gè)成員按其自然對(duì)界（natural alignment）條件分配空間。各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同。
　　自然對(duì)界(natural alignment)即默認(rèn)對(duì)齊方式，是指按結(jié)構(gòu)體的成員中size最大的成員對(duì)齊。
　　例如：
struct naturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};
　　在上述結(jié)構(gòu)體中，size最大的是short，其長(zhǎng)度為2字節(jié)，因而結(jié)構(gòu)體中的char成員a、c都以2為單位對(duì)齊，sizeof(naturalalign)的結(jié)果等于6；
　　如果改為：
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
　　其結(jié)果顯然為12。

2.2指定對(duì)界
　　一般地，可以通過下面的方法來改變?nèi)笔〉膶?duì)界條件：
　　· 使用偽指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊；
　　· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。
　　注意：如果#pragma pack (n)中指定的n大于結(jié)構(gòu)體中最大成員的size，則其不起作用，結(jié)構(gòu)體仍然按照size最大的成員進(jìn)行對(duì)界。
　　例如：
#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()
　　當(dāng)n為4、8、16時(shí)，其對(duì)齊方式均一樣，sizeof(naturalalign)的結(jié)果都等于12。而當(dāng)n為2時(shí)，其發(fā)揮了作用，使得sizeof(naturalalign)的結(jié)果為8。
　　在VC++ 6.0編譯器中，我們可以指定其對(duì)界方式，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(duì)界方式。
　　另外，通過__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊在n字節(jié)邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細(xì)講解。

2.3 面試題的解答
　　至此，我們可以對(duì)Intel、微軟的面試題進(jìn)行全面的解答。
　　程序中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對(duì)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(jié)對(duì)界，struct example1的size為8，即第18行的輸出結(jié)果；
　　struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)成員的最大size為2（short變量e），但是因?yàn)槠浒藄truct example1，而struct example1中的最大成員size為4，struct example2也應(yīng)以4對(duì)界，#pragma pack (8)中指定的對(duì)界對(duì)struct example2也不起作用，故19行的輸出結(jié)果為16；
　　由于struct example2中的成員以4為單位對(duì)界，故其char變量c后應(yīng)補(bǔ)充3個(gè)空，其后才是成員struct1的內(nèi)存空間，20行的輸出結(jié)果為4。