C C 語言struct深層探索

2021-04-07 13:17:21 字數 4563 閱讀 5876

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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