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Riddick
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struct深层解析

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一、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

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));

 

 二、struct的成员对齐

 

 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:

 

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) 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(见图),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。

 

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。

 

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