Posted on 2005-12-14 18:27
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C++學(xué)習(xí)
1. struct的巨大作用
面對(duì)一個(gè)人的大型C/C++程序時(shí)，只看其對(duì)struct的使用情況我們就可以對(duì)其編寫(xiě)者的編程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。因?yàn)橐粋€(gè)大型的C/C++程序，勢(shì)必要涉及一些(甚至大量)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合的結(jié)構(gòu)體，這些結(jié)構(gòu)體可以將原本意義屬于一個(gè)整體的數(shù)據(jù)組合在一起。從某種程度上來(lái)說(shuō)，會(huì)不會(huì)用struct，怎樣用struct是區(qū)別一個(gè)開(kāi)發(fā)人員是否具備豐富開(kāi)發(fā)經(jīng)歷的標(biāo)志。
在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信控制、嵌入式系統(tǒng)的C/C++編程中，我們經(jīng)常要傳送的不是簡(jiǎn)單的字節(jié)流（char型數(shù)組），而是多種數(shù)據(jù)組合起來(lái)的一個(gè)整體，其表現(xiàn)形式是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。
經(jīng)驗(yàn)不足的開(kāi)發(fā)人員往往將所有需要傳送的內(nèi)容依順序保存在char型數(shù)組中，通過(guò)指針偏移的方法傳送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文等信息。這樣做編程復(fù)雜，易出錯(cuò)，而且一旦控制方式及通信協(xié)議有所變化，程序就要進(jìn)行非常細(xì)致的修改。
一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者則靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)體，舉一個(gè)例子，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)或控制協(xié)議中需要傳送三種報(bào)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(yōu)秀的程序設(shè)計(jì)者這樣設(shè)計(jì)傳送的報(bào)文：
struct CommuPacket
{
int iPacketType; //報(bào)文類(lèi)型標(biāo)志
union //每次傳送的是三種報(bào)文中的一種，使用union
{
struct structA packetA;
struct structB packetB;
struct structC packetC;
}
};
在進(jìn)行報(bào)文傳送時(shí)，直接傳送struct CommuPacket一個(gè)整體。
假設(shè)發(fā)送函數(shù)的原形如下：
// pSendData：發(fā)送字節(jié)流的首地址，iLen：要發(fā)送的長(zhǎng)度
Send(char * pSendData, unsigned int iLen);
發(fā)送方可以直接進(jìn)行如下調(diào)用發(fā)送struct CommuPacket的一個(gè)實(shí)例sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設(shè)接收函數(shù)的原形如下：
// pRecvData：發(fā)送字節(jié)流的首地址，iLen：要接收的長(zhǎng)度
//返回值：實(shí)際接收到的字節(jié)數(shù)
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen)；
接收方可以直接進(jìn)行如下調(diào)用將接收到的數(shù)據(jù)保存在struct CommuPacket的一個(gè)實(shí)例recvCommuPacket中：
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
接著判斷報(bào)文類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)處理：
switch(recvCommuPacket. iPacketType)
{
case PACKET_A:
… //A類(lèi)報(bào)文處理
break;
case PACKET_B:
… //B類(lèi)報(bào)文處理
break;
case PACKET_C:
… //C類(lèi)報(bào)文處理
break;
}
以上程序中最值得注意的是
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
中的強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換：(char *)&sendCommuPacket、(char *)&recvCommuPacket，先取地址，再轉(zhuǎn)化為char型指針，這樣就可以直接利用處理字節(jié)流的函數(shù)。
利用這種強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)化，我們還可以方便程序的編寫(xiě)，例如要對(duì)sendCommuPacket所處內(nèi)存初始化為0，可以這樣調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)memset()：
memset((char *)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));
2. struct的成員對(duì)齊
Intel、微軟等公司曾經(jīng)出過(guò)一道類(lèi)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(wèn)程序的輸入結(jié)果是什么？
答案是：
8
16
4
不明白？還是不明白？下面一一道來(lái)：
2.1 自然對(duì)界
struct是一種復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型，其構(gòu)成元素既可以是基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（如int、long、float等）的變量，也可以是一些復(fù)合數(shù)據(jù)類(lèi)型（如array、struct、union等）的數(shù)據(jù)單元。對(duì)于結(jié)構(gòu)體，編譯器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行成員變量的對(duì)齊，以提高運(yùn)算效率。缺省情況下，編譯器為結(jié)構(gòu)體的每個(gè)成員按其自然對(duì)界（natural alignment）條件分配空間。各個(gè)成員按照它們被聲明的順序在內(nèi)存中順序存儲(chǔ)，第一個(gè)成員的地址和整個(gè)結(jié)構(gòu)的地址相同。
自然對(duì)界(natural alignment)即默認(rèn)對(duì)齊方式，是指按結(jié)構(gòu)體的成員中size最大的成員對(duì)齊。
例如：
struct naturalalign
{
char a;
short b;
char c;
};
在上述結(jié)構(gòu)體中，size最大的是short，其長(zhǎng)度為2字節(jié)，因而結(jié)構(gòu)體中的char成員a、c都以2為單位對(duì)齊，sizeof(naturalalign)的結(jié)果等于6；
如果改為：
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
其結(jié)果顯然為12。
2.2指定對(duì)界
一般地，可以通過(guò)下面的方法來(lái)改變?nèi)笔〉膶?duì)界條件：
· 使用偽指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個(gè)字節(jié)對(duì)齊；
· 使用偽指令#pragma pack ()，取消自定義字節(jié)對(duì)齊方式。
注意：如果#pragma pack (n)中指定的n大于結(jié)構(gòu)體中最大成員的size，則其不起作用，結(jié)構(gòu)體仍然按照size最大的成員進(jìn)行對(duì)界。
例如：
#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
char a;
int b;
char c;
};
#pragma pack ()
當(dāng)n為4、8、16時(shí)，其對(duì)齊方式均一樣，sizeof(naturalalign)的結(jié)果都等于12。而當(dāng)n為2時(shí)，其發(fā)揮了作用，使得sizeof(naturalalign)的結(jié)果為8。
在VC++ 6.0編譯器中，我們可以指定其對(duì)界方式，其操作方式為依次選擇projetct > setting > C/C++菜單，在struct member alignment中指定你要的對(duì)界方式。
另外，通過(guò)__attribute((aligned (n)))也可以讓所作用的結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊在n字節(jié)邊界上，但是它較少被使用，因而不作詳細(xì)講解。
2.3 面試題的解答
至此，我們可以對(duì)Intel、微軟的面試題進(jìn)行全面的解答。
程序中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對(duì)界為8，但是由于struct example1中的成員最大size為4（long變量size為4），故struct example1仍然按4字節(jié)對(duì)界，struct example1的size為8，即第18行的輸出結(jié)果；
struct example2中包含了struct example1，其本身包含的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)成員的最大size為2（short變量e），但是因?yàn)槠浒?/FONT>struct example1，而struct example1中的最大成員size為4，struct example2也應(yīng)以4對(duì)界，#pragma pack (8)中指定的對(duì)界對(duì)struct example2也不起作用，故19行的輸出結(jié)果為16；
由于struct example2中的成員以4為單位對(duì)界，故其char變量c后應(yīng)補(bǔ)充3個(gè)空，其后才是成員struct1的內(nèi)存空間，20行的輸出結(jié)果為4。
3. C和C++間struct的深層區(qū)別
在C++語(yǔ)言中struct具有了“類(lèi)” 的功能，其與關(guān)鍵字class的區(qū)別在于struct中成員變量和函數(shù)的默認(rèn)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限為public，而class的為private。
例如，定義struct類(lèi)和class類(lèi)：
struct structA
{
char a;
…
}
class classB
{
char a;
…
}
則：
struct A a;
a.a = 'a'; //訪(fǎng)問(wèn)public成員，合法
classB b;
b.a = 'a'; //訪(fǎng)問(wèn)private成員，不合法
許多文獻(xiàn)寫(xiě)到這里就認(rèn)為已經(jīng)給出了C++中struct和class的全部區(qū)別，實(shí)則不然，另外一點(diǎn)需要注意的是：
C++中的struct保持了對(duì)C中struct的全面兼容（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(shí)直接賦初值
即struct可以在定義的時(shí)候直接以{ }對(duì)其成員變量賦初值，而class則不能，在經(jīng)典書(shū)目《thinking C++ 2nd edition》中作者對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)。
4. struct編程注意事項(xiàng)
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行的輸出結(jié)果是：a
16行的輸出結(jié)果是：b
Why?我們?cè)?/FONT>15行對(duì)instant2的修改改變了instant1中成員的值！
原因在于13行的instant2 = instant1賦值語(yǔ)句采用的是變量逐個(gè)拷貝，這使得instant1和instant2中的cMember指向了同一片內(nèi)存，因而對(duì)instant2的修改也是對(duì)instant1的修改。
在C語(yǔ)言中，當(dāng)結(jié)構(gòu)體中存在指針型成員時(shí)，一定要注意在采用賦值語(yǔ)句時(shí)是否將2個(gè)實(shí)例中的指針型成員指向了同一片內(nèi)存。
在C++語(yǔ)言中，當(dāng)結(jié)構(gòu)體中存在指針型成員時(shí)，我們需要重寫(xiě)struct的拷貝構(gòu)造函數(shù)并進(jìn)行“=”操作符重載。