嵌入式C语言之struct深层探索


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1-struct的巨大作用

面对某个人的大型 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和水平进行评估。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:

 1struct structA 
2{
 
3 int a; 
4 char b; 
5}; 
6struct structB 
7{
 
8 char a; 
9 short b; 
10}; 
11struct structC 
12{
 
13 int a; 
14 char b; 
15 float c; 
16}


对于优秀的开发者来说报文的传送是这样设计的:


1struct CommuPacket 
2{
 
3  int iPacketType; //报文类型标志 
4  union //每次传送的是三种报文中的一种,使用 union 
5  { 
6  struct structA packetA; struct structB packetB; 
7  struct structC packetC; 
8  } 
9};


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: 

1 /* pSendData:发送字节流的首地址,iLen:要发送的长度 */
2Send(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: 


1Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );


假设接收函数的原形如下: 


1// pRecvData:发送字节流的首地址,iLen:要接收的长度 
2//返回值:实际接收到的字节数 
3unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen)
4


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:


1Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );


接着判断报文类型进行相应处理:


 1switch(recvCommuPacket. iPacketType) 
2
3case PACKET_A: 
4… //A 类报文处理 
5break
6case PACKET_B: 
7… //B 类报文处理 
8break
9case PACKET_C: 
10… //C 类报文处理 
11break
12}


以上程序中最值得注意的是:


1Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) ); 
2Recv( (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():

1memset((char *)&sendCommuPacket,0, sizeof(CommuPacket));

2-struct的成员对齐
英特尔、微软等公司出了一道类似下面的题目:


 1#include  
2#pragma pack(8) 
3using namespace std;

3struct example1 
4{
 
5short a; 
6long b; 
7}; 
8struct example2 
9{
 
10 char c; 
11 example1 struct1; 
12 short e; 
13}; 
14#pragma pack() 
15int main(int argc, char* argv[]) 
16

17example2 struct2; 
18cout << sizeof(example1) << endl
19cout << sizeof(example2) << endl
20cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2) << endl
21return 0
22}


问程序的输入结果是多少?


答案是:8 16 4


2.1 自然对界(对齐)


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:


1struct naturalalign 
2{
 
3 char a; 
4 short b; 
5 char c; 
6}; 


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(结构体对其就是看最长的是多少位,);


如果改为:


1struct naturalalign 
2{
 
3 char a; 
4 int b; 
5 char c; 
6};


上面的结果明显是12,而不是6,我们来看,char是一个自己,int是4个字节,首先来结构体中最大的是int b,所以对其方式是以4字节来算的。因此,char a虽然是一个字节,但是在空间上需要开辟一个4字节空间。


2.2 指定对界(对齐) 


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:


1#pragma pack (n) 
2struct naturalalign 
3{
 
4 char a; 
5 int b; 
6 char c; 
7}; 
8#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6。


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。


2.3 解答Intel、微软的面试题


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:


 1struct structA 
2{
 
3char a; 
4… 
5
6class classB 
7{
 
8 char a; 
9 … 
10
11则: 
12structA a; 
13a.a = 'a'//访问 public 成员,合法 
14classB b; 
15b.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,下面的操作是合法的:


1//定义 struct 
2struct structA 
3{
 
4char a; 
5char b; 
6int c; 
7};
8structA 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


 1#include 
2using namespace std;
3struct structA
4{

5    int iMember;
6    char* cMember;
7};
8int main(int argc, char* argv[])
9
{
10    structA instant1, instant2;
11    char c = 'a';
12    instant1.iMember = 1;
13    instant1.cMember = &c;
14    instant2 = instant1;
15    cout << *(instant1.cMember) << endl;
16    *(instant2.cMember) = 'b';
17    cout << *(instant1.cMember) << endl;
18    return 0;
19}


上面的结果输出顺序是:a,b;


为什么这样?因为我们在16行对instant2 的修改改变了 instant1 中成员的值!


原因在于14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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