嵌入式C语言之struct深层探索

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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