第3章“程序的机器级表示”：异类的数据结构

概述

C提供了两种将不同类型的对象结合到一起来创建数据类型的机制：结构（structure），用关键字 struct 来声明，将多个对象集合到一个单位中；联合（union），用关键字 union 来声明，允许用几种不同的类型来引用一个对象。

3.9.1 结构

C 的 struct 声明创建一个数据类型，将可能不同类型的对象聚合到一个对象中。结构的各个组成部分是用名字来引用。结构的实现类似于数组的实现，因为结构的所有组成部分都存放在存储器中连续的区域内，而指向结构的指针就是结构第一个字节的地址。 编译器保存关于每个结构类型的信息，指示每个域（field）的字节偏移。它以这些偏移作为存储器引用指令中的位移，从而产生对结构元素的引用。

将指向结构的指针从一个地方传递到另一个地方，而不是拷贝它们，是很常见的。

举个例子，看如下的结构声明：

struct rec {
	int i;
	int j;
	int a[3];
	int *p;
};

这个结构包括四个域——两个 4 字节 int、一个由三个 4 字节 int 组成的数组和一个 4 字节的整数指针，总共24个字节：

注意，数组 a 是嵌入到这个结构中的。上图中顶部的数字给出的是各个域相对结构开始处的字节偏移。

为了访问结构的域，编译器产生的代码要将结构的地址加上适当的偏移。例如，假设 struct rec * 类型的变量 r 放在寄存器 %edx 中。然后，下面的代码将元素 r->i 拷贝到元素 r->j：

因为域 $i$ 的偏移量为0，所以这个域的地址就是 $r$ 的值。为了存储到域 $j$，代码要将 $r$ 的地址加上偏移量 4。

要产生一个指向结构内部对象的指针，只需将结构的地址加上该域的偏移量。例如，只用加上偏移量8 + 4 x 1 = 12，就可以得到指针 &(r->a[1])。对于在寄存器 %eax 中的指针 r 和 在寄存器 %edx 中的整数变量 $i$，可以用一条指令产生指针 &(r->a[i]) 的值：

还有最后一个例子，下面的代码实现的是语句：

r->p = &r->a[r->i + r->j];

开始时 $r$ 在寄存器 %edx 中：

正如这些示例表明的那样，对结构的各个域的选取完全是在编译时处理的。机器代码不包含关于域声明或域名字的信息。

3.9.2 联合

联合提供了一种方式，能够规避 C 的类型系统，允许以多种类型来引用一个对象。联合声明的语法与结构的语法一样，只不过语义相差比较大。它们不是用不同的域来引用不同的存储器块，而是引用的同一存储器块。

看如下的声明：

struct S3 {
	char c;
	int i[2];
	double v;
};

union U3 {
	char c;
	int i[2];
	double v;
};

域的偏移数据类型 S3 和 U3 的整个大小如下表所示：

（稍后会看到为什么 S3 中的 $i$ 的偏移量为 4，而不是 1。）对于类型 union U3 * 的指针 $p$，p->c、p->i[0] 和 p->v 引用的都是数据结构的起始位置。还要注意，一个联合的总的大小等于它最大域的大小。

在一些情况中，联合十分有用。但是，它也引起了一些讨厌的错误，因为它们绕过了 C 类型系统提供的安全措施。一种应用情况是，事先知道对一个数据结构中的两个不同域的使用是互斥的，那么将这两个域作为联合的一部分，而不是结构的一部分，会减小分配空间的总量。

如，假设想实现一个二叉树的数据结构，每个叶子节点都有一个 double 的数据值，而每个内部节点都有指向两个孩子节点的指针，但是没有数据。如果像这样声明：

struct Node {
	struct Node *left;
	struct Node *right;
	double data;
};

那么每个节点需要 16 个字节，每种类型的节点都要浪费一半的字节。相反，如果这样来声明一个节点：

union Node {
	struct {
		union Node *left;
		union Node *right;
	} internal;
	double data;
};

那么，每个节点就只需要 8 个字节。如果 $n$ 是一个指针，指向 union Node * 类型的节点，用 n->data 来引用叶子节点的数据，而用 n->internal.left 和 n->internal.right 来引用内部节点的孩子。

不过，如果这样编码，就无法确定一个给定的节点到底是叶子节点还是内部节点。通常的方法是引入一个附加的标志域：

struct Node {
	int is_leaf;
	union {
		struct {
			struct Node *left;
			struct Node *right;
		} internal;
		double data;
	} info;
};

这里，对叶子节点来说，域 is_leaf 是 1，而对内部节点来说，该域的值是 0。这个结构总共需要 12 个字节：is_leaf 要 4 个，info.internal.left 和 info.internal.right 各要 4 个，或者 info.data 要 8 个。在这种情况中，相对于给代码造成的麻烦，使用联合带来的好处是很小的。对于有较多域的数据结构，这样的节省会更加吸引人一些。

联合还可以用来访问不同数据类型的位的形式。例如，下面这段代码返回一个 float 作为 unsigned 的位表示：

unsigned float2bit(float f)
{
	union {
		float f;
		unsigned u;
	} temp;
	temp.f = f;
	return temp.u;
}

在这段代码中，以一种数据类型来存储联合中的参数，又以另一种数据类型来访问它。有趣的是，为此过程产生的代码与为下面这个过程产生的代码是一样的：

unsigned copy(unsigned u)
{
	return u;
}

这两个过程的主体只有一条指令：

这就证明汇编代码中缺乏类型信息。无论参数是一个 float，还是一个 unsigned，它都在相对于 %ebp 偏移量为 8 的地方。过程只是简单地将它的参数拷贝到返回值，不修改任何位。

当用联合来将各种不同大小的数据类型结合到一起时，字节顺序问题就变得很重要了。如假设写了一个过程，它会以两个 4 字节的 unsigned 的位的形式，创建一个 8 字节的 double：

double bit2double(unsigned word0, unsigned word1)
{
	union {
		double d;
		unsigned u[2];
	} temp;

	temp.u[0] = word0;
	temp.u[1] = word1;
	return temp.d;
}

在像 IA32 这样的小端法（little-endian）机器上，参数 word0 会是 $d$ 的低位四个字节，而 word1 会是高位四个字节。在大端法（big-endian）机器上，这两个参数的角色刚好相反。