struct深层解析

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;
} ;

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;
   }
} ;

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 ;

 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) );

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 . }

 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;
};

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;
};

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 ()

#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。