C/C+語言struct深層探索

出處：PConline

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) );
　　接著判斷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意的是

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；
　　如果改為：
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。
　　注意：如果#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，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。
　　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，因而不作詳細講解。

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。