2010年8月17日星期二

C/C+语言struct深层探索(转载)

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));

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。

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1),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。

图1:在VC++ 6.0中指定对界方式

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,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。



没有评论:

发表评论