C之值得回味的结构体

面对大型C/C++程序时,只需观察其对struct的使用情况即可对其编写者的编程经验进行评估。由于大型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。

1、struct不可忽略的作用

在网络协议、通信控制、嵌入式系统的C/C++编程中,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,比如: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。

假设发送函数的原型如下:

//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));

假设接收函数的原型如下:

//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,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

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 指定结界

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),编辑器将按照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编辑器中,可以指定其对界方式,其操作方式依次选择project > 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。

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,下面的操作时合法的:

//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》中作者对此点进行充分强调。

4. struct编程注意事项

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,在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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