C C 語言struct深層探索

1. struct的巨大作用

面對乙個人的大型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。因為乙個大型的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乙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是區別乙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乙個整體，其表現形式是乙個結構體。

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。

乙個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉乙個例子，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

;struct structb

;struct structc

優秀的程式設計者這樣設計傳送的報文：

struct commupacket

};在進行報文傳送時，直接傳送struct commupacket乙個整體。

假設傳送函式的原形如下：

// psenddata：傳送位元組流的首位址，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的乙個例項sendcommupacket：

send( (char *)&sendcommupacket , sizeof(commupacket) );

假設接收函式的原形如下：

// precvdata：傳送位元組流的首位址，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的乙個例項recvcommupacket中：

recv( (char *)&recvcommupacket , sizeof(commupacket) );

接著判斷報文型別進行相應處理：

switch(recvcommupacket. ipackettype)

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，先取位址，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

2. #pragma pack(8)

3. struct example1

4. ;

8. struct example2

9. ;

14. #pragma pack()

15. int main(int argc, char* argv)

16.

問程式的輸入結果是什麼？

答案是：816

4不明白？還是不明白？下面一一道來：

2.1 自然對界

struct是一種復合資料型別，其構成元素既可以是基本資料型別（如int、long、float等）的變數，也可以是一些復合資料型別（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，第乙個成員的位址和整個結構的位址相同。

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

;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

;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

;#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

class classb

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

;structa a = ; // 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

2. struct structa

3. ;

7. int main(int argc, char* argv)

8. 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。

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