C/C+語言struct深層探索

1. struct的巨大作用
　　面對一個人的大型C/C++程式時，只看其對struct的使用情況我們就可以對其編寫者的程式設計經驗進行評估。因為一個大型的C/C++程式，勢必要涉及一些(甚至大量)進行資料組合的結構體，這些結構體可以將原本意義屬於一個整體的資料組合在一起。從某種程度上來說，會不會用struct，怎樣用struct是區別一個開發人員是否具備豐富開發經歷的標誌。

　　在網路協議、通訊控制、嵌入式系統的C/C++程式設計中，我們經常要傳送的不是簡單的位元組流（char型陣列），而是多種資料組合起來的一個整體，其表現形式是一個結構體。

　　經驗不足的開發人員往往將所有需要傳送的內容依順序儲存在char型陣列中，通過指標偏移的方法傳送網路報文等資訊。這樣做程式設計複雜，易出錯，而且一旦控制方式及通訊協議有所變化，程式就要進行非常細緻的修改。

　　一個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉一個例子，假設網路或控制協議中需要傳送三種報文，其格式分別為packetA、packetB、packetC：

struct structA
{
int a;
char b;
};

struct structB
{
char a;
short b;
};

struct structC
{
int a;
char b;
float c;
}
　　優秀的程式設計者這樣設計傳送的報文：

struct CommuPacket
{
int iPacketType;　　//報文型別標誌
union　　　　　　//每次傳送的是三種報文中的一種，使用union
{
  struct structA packetA;
  struct structB packetB;
  struct structC packetC;
}
};
　　在進行報文傳送時，直接傳送struct CommuPacket一個整體。

　　假設傳送函式的原形如下：

// pSendData：傳送位元組流的首地址，iLen：要傳送的長度
Send(char * pSendData, unsigned int  iLen);
傳送方可以直接進行如下呼叫傳送struct CommuPacket的一個例項sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設接收函式的原形如下：
// pRecvData：傳送位元組流的首地址，iLen：要接收的長度
//返回值：實際接收到的位元組數
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int  iLen)；
　　接收方可以直接進行如下呼叫將接收到的資料儲存在struct CommuPacket的一個例項recvCommuPacket中：

Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
　　接著判斷報文型別進行相應處理：

switch(recvCommuPacket. iPacketType)
{
    case PACKET_A:
    …    //A類報文處理
    break;
    case PACKET_B:
    …　  //B類報文處理
    break;
    case PACKET_C:
    …   //C類報文處理
    break;
}
　　以上程式中最值得注意的是

Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
　　中的強制型別轉換：(char *)&sendCommuPacket、(char *)&recvCommuPacket，先取地址，再轉化為char型指標，這樣就可以直接利用處理位元組流的函式。

　　利用這種強制型別轉化，我們還可以方便程式的編寫，例如要對sendCommuPacket所處記憶體初始化為0，可以這樣呼叫標準庫函式memset()：

memset((char *)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2. struct的成員對齊
　　Intel、微軟等公司曾經出過一道類似的面試題：

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. }
　　問程式的輸入結果是什麼？

　　答案是：

8
16
4

　　不明白？還是不明白？下面一一道來：

2.1 自然對界

　　struct是一種複合資料型別，其構成元素既可以是基本資料型別（如int、long、float等）的變數，也可以是一些複合資料型別（如array、struct、union等）的資料單元。對於結構體，編譯器會自動進行成員變數的對齊，以提高運算效率。預設情況下，編譯器為結構體的每個成員按其自然對界（natural alignment）條件分配空間。各個成員按照它們被宣告的順序在記憶體中順序儲存，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

　　自然對界(natural alignment)即預設對齊方式，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

　　例如：

struct naturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};
　　在上述結構體中，size最大的是short，其長度為2位元組，因而結構體中的char成員a、c都以2為單位對齊，sizeof(naturalalign)的結果等於6；

　　如果改為：

struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
　　其結果顯然為12。

2.2指定對界

　　一般地，可以通過下面的方法來改變預設的對界條件：

　　· 使用偽指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個位元組對齊；
　　· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義位元組對齊方式。

　　注意：如果#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size，則其不起作用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

　　例如：

#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()
　　當n為4、8、16時，其對齊方式均一樣，sizeof(naturalalign)的結果都等於12。而當n為2時，其發揮了作用，使得sizeof(naturalalign)的結果為8。

　　在VC++ 6.0編譯器中，我們可以指定其對界方式，其操作方式為依次選擇projetct > setting > C/C++選單，在struct member alignment中指定你要的對界方式。

　　另外，通過__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結構體成員對齊在n位元組邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細講解。

2.3 面試題的解答

　　至此，我們可以對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

　　程式中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對界為8，但是由於struct example1中的成員最大size為4（long變數size為4），故struct example1仍然按4位元組對界，struct example1的size為8，即第18行的輸出結果；

　　struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡單資料成員的最大size為2（short變數e），但是因為其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size為4，struct example2也應以4對界，#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起作用，故19行的輸出結果為16；

　　由於struct example2中的成員以4為單位對界，故其char變數c後應補充3個空，其後才是成員struct1的記憶體空間，20行的輸出結果為4。


3. C和C++間struct的深層區別
　　在C++語言中struct具有了“類”　的功能，其與關鍵字class的區別在於struct中成員變數和函式的預設訪問許可權為public，而class的為private。

　　例如，定義struct類和class類：

struct structA
{
char a;
…
}
class classB
{
      char a;
      …
}
　　則：

struct A a;
a.a = 'a';    //訪問public成員，合法
classB b;
b.a = 'a';    //訪問private成員，不合法
　　許多文獻寫到這裡就認為已經給出了C++中struct和class的全部區別，實則不然，另外一點需要注意的是：

　　C++中的struct保持了對C中struct的全面相容（這符合C++的初衷——“a better c”），因而，下面的操作是合法的：

//定義struct
struct structA
{
char a;
char b;
int c;
};
structA a = {'a' , 'a' ,1};    //  定義時直接賦初值
　　即struct可以在定義的時候直接以{ }對其成員變數賦初值，而class則不能，在經典書目《thinking C++ 2nd edition》中作者對此點進行了強調。

4. struct程式設計注意事項
　　看看下面的程式：

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行的輸出結果是：a
　　16行的輸出結果是：b

　　Why?我們在15行對instant2的修改改變了instant1中成員的值！

　　原因在於13行的instant2 = instant1賦值語句採用的是變數逐個拷貝，這使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片記憶體，因而對instant2的修改也是對instant1的修改。

　　在C語言中，當結構體中存在指標型成員時，一定要注意在採用賦值語句時是否將2個例項中的指標型成員指向了同一片記憶體。

　　在C++語言中，當結構體中存在指標型成員時，我們需要重寫struct的拷貝建構函式並進行“=”操作符過載。