C/C++struct的深层区别
2016-08-01 13:07
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C/C++语言struct深层探索
作者:宋宝华出处:PConline
来源:http://blog.csdn.net/yingxunren/article/details/3966591
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: Send(char * pSendData, unsigned int iLen); pSendData:发送字节流的首地址,iLen:要发送的长度 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: unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen); 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 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: … 4000 //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; }
程序的输入结果是什么? 答案是:8,16,4
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; };
当n为4、8、16时,其对齐方式均一样,sizeof(naturalalign)的结果都等于12。 当n为2时,n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,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。
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 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:
#include <iostream.h> struct structA { int iMember; char *cMember; }; int main(int argc, char* argv[]) { structA instant1,instant2; char c = 'a'; instant1.iMember = 1; instant1.cMember = &c; instant2 = instant1; cout << *(instant1.cMember) << endl; *(instant2.cMember) = 'b'; cout << *(instant1.cMember) << endl; 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。
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