C/C++语言struct深层探索

C/C++语言struct深层探索

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。 　　 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。      对齐规则      每个特定平台上的编译器都有自己的默认“对齐系数”(也叫对齐模数)。程序员可以通过 预编译命令#pragma pack(n)，n=1,2,4,8,16来改变这一系数，其中的n就是你要指定的“对齐系数”。 规则： 1、数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行。 2、结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行。 3、结合1、2颗推断：当#pragma pack的n值等于或超过所有数据成员长度的时候，这个n值的大小将不产生任何效果。 　　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，这里example1 struct1 占据了8个字节，其余的两个量分别占用了4个，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 。