C/C+语言struct深层探索

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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。 !-- frame contents -- !-- /frame contents -- 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) );　　接着判定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重的是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： !-- frame contents -- !-- /frame contents -- 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。 !-- frame contents -- !-- /frame contents -- 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；　　假如改为：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。　　注重：假如#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（见图1），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。图1：在VC++ 6.0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，因而不作具体讲解。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，其与要害字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： !-- frame contents -- !-- /frame contents -- 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，另外一点需要注重的是：　　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编程注重事项　　看看下面的程序： !-- frame contents -- !-- /frame contents -- 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，一定要注重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。