C/C+语言struct深层探索

作者：宋宝华       出处：PConline

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：

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++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：

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。