C/C++中的struct 深层探索

声明： 原文作者为宋宝华，出处不详。现整理出来，内容有增删，仅供学习参考！    

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。   

    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));   

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：   

   #include <iostream.h>      #pragma pack(8)      struct example1       {       short a;         long b;       };       struct example2        {           char c;           example1 struct1;           short e;          };       #pragma pack()       int main(int argc, char* argv[])        {         example2 struct2;         cout << sizeof(example1) << endl;         cout << sizeof(example2) << endl;         cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2) << endl;         return 0;       }   

    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。   

    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6。

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，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：   

    structA 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。