c语言中的struct和union

C/C+语言struct深层探索/c语言中的结构（struct）和联合（union）简介 作者 icwk 日期 2006-8-23 10:40:00


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C/C+语言struct深层探索(kk)

1. struct的巨大作用
　　面 对一个人的大型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：

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。

假设发送函数的原形如下：

// 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) );
假设接收函数的原形如下：
// 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，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()：

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

2. struct的成员对齐
Intel、微软等公司曾经出过一道类似的面试题：

1. ＃i nclude <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. }
问程序的输入结果是什么？

答案是：

8
16
4

不明白？还是不明白？下面一一道来：

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指定对界

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：

#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编译器中，我们可以指定其对界方式，其操作方式为依次选择projetct >setting > C/C++菜单，在struct member alignment中指定你要的对界方式。

                                   图1：在VC++ 6.0中指定对界方式

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。

2.3 面试题的解答

至此，我们可以对Intel、微软的面试题进行全面的解答。

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：

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，下面的操作是合法的：

//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》中作者对此点进行了强调。

4. struct编程注意事项
看看下面的程序：

1. ＃i nclude <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行的输出结果是：a
16行的输出结果是：b

Why?我们在15行对instant2的修改改变了instant1中成员的值！

原因在于13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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c语言中的结构（struct）和联合（union）简介看到有朋友介绍union，我以前还没有用过这个东西呢，也不懂，就去搜了点资料来看，也转给大家，希望坛子里的给予改正或补充。谢谢！


            联     合(union) 
  1. 联合说明和联合变量定义 
  联合也是一种新的数据类型, 它是一种特殊形式的变量。 
  联合说明和联合变量定义与结构十分相似。其形式为: 
  union 联合名{ 
      数据类型 成员名; 
      数据类型 成员名; 
      ... 
  } 联合变量名; 
  联合表示几个变量公用一个内存位置, 在不同的时间保存不同的数据类型 和不同长度的变量。 
  下例表示说明一个联合a_bc: 
  union a_bc{ 
      int i; 
      char mm; 
  }; 
  再用已说明的联合可定义联合变量。 
  例如用上面说明的联合定义一个名为lgc的联合变量, 可写成: 
    union a_bc lgc; 
  在联合变量lgc中, 整型量i和字符mm公用同一内存位置。 
  当一个联合被说明时, 编译程序自动地产生一个变量, 其长度为联合中最大的变量长度。 
  联合访问其成员的方法与结构相同。同样联合变量也可以定义成数组或指针,但定义为指针时, 也要用"->;"符号, 此时联合访问成员可表示成: 
  联合名->;成员名 
  另外, 联合既可以出现在结构内, 它的成员也可以是结构。 
  例如: 
  struct{ 
      int age; 
      char *addr; 
      union{ 
          int i; 
          char *ch; 
      }x; 
  }y[10]; 
  若要访问结构变量y[1]中联合x的成员i, 可以写成: 
    y[1].x.i; 
  若要访问结构变量y[2]中联合x的字符串指针ch的第一个字符可写成: 
    *y[2].x.ch; 
  若写成"y[2].x.*ch;"是错误的。 

  2. 结构和联合的区别 
  结构和联合有下列区别: 
  1. 结构和联合都是由多个不同的数据类型成员组成, 但在任何同一时刻, 联合转只存放了一个被选中的成员, 而结构的所有成员都存在。 
  2. 对于联合的不同成员赋值, 将会对其它成员重写, 原来成员的值就不存在了, 而对于结构的不同成员赋值是互不影响的。 
  下面举一个例了来加对深联合的理解。 
  例4: 
main() 
{ 
  union{             /*定义一个联合*/ 
  int i; 
  struct{         /*在联合中定义一个结构*/ 
        char first; 
        char second; 
        }half; 
  }number; 

  number.i=0x4241;       /*联合成员赋值*/ 
  printf("%c%c\n", number.half.first, mumber.half.second); 
  number.half.first='a';   /*联合中结构成员赋值*/ 
  number.half.second='b'; 
  printf("%x\n", number.i); 
  getch(); 
} 
  输出结果为: 
  AB 
  6261 
  从上例结果可以看出: 当给i赋值后, 其低八位也就是first和second的值;当给first和second赋字符后, 这两个字符的ASCII码也将作为i 的低八位和高八位。