結構與聯合的使用

聯合體

在C/C++程序的編寫中，當多個基本數據類型或複合數據結構要佔用同一片內存時，咱們要使用聯合體；當多種類型，多個對象，多個事物只取其一時（咱們姑且通俗地稱其爲「n 選1」），咱們也可使用聯合體來發揮其長處。

首先看一段代碼：

#include <iostream>

using namespace std;

union myun  

{  

     struct { int x; int y; int z; }u;  

     int k;  

}a;  

int main()  

{  

     a.u.x =4;  

     a.u.y =5;  

     a.u.z =6;  

     a.k = 0;  

     printf("%d %d %d\n",a.u.x,a.u.y,a.u.z);  

     return 0;  

} 

運行結果：0 5 6

union類型是共享內存的，以size最大的結構做爲本身的大小，這樣的話，myun這個結構就包含u這個結構體，而大小也等於u這個結構體的大小，在內存中的排列爲聲明的順序x,y,z從低到高，而後賦值的時候，在內存中，就是x的位置放置4，y的位置放置5，z的位置放置6，如今對k賦值，對k的賦值由於是union，要共享內存，因此從union的首地址開始放置，首地址開始的位置實際上是x的位置，這樣原來內存中x的位置就被k所賦的值代替了，就變爲0了，這個時候要進行打印，就直接看內存裏就好了，x的位置也就是k的位置是0，而 y，z的位置的值沒有改變，因此應該是0,5,6。

聯合表示幾個變量公用一個內存位置, 在不一樣的時間保存不一樣的數據類型 和不一樣長度的變量。 
下例表示說明一個聯合a_bc: 

[cpp] view plaincopy

union a_bc{
    int i;
    char mm;
};

再用已說明的聯合可定義聯合變量。 
例如用上面說明的聯合定義一個名爲lgc的聯合變量, 可寫成: 
union a_bc lgc; 
在聯合變量lgc中, 整型量i和字符mm公用同一內存位置。 
當一個聯合被說明時, 編譯程序自動地產生一個變量, 其長度爲聯合中最大的變量長度。 
聯合訪問其成員的方法與結構相同。一樣聯合變量也能夠定義成數組或指針,但定義爲指針時, 也要用"->"符號,此時聯合訪問成員可表示成: 聯合名->成員名 
另外, 聯合既能夠出如今結構內, 它的成員也能夠是結構。 

例如：

[cpp] view plaincopy

struct{
    int age;
    char *addr;
    union{
        int i;
        char *ch;
    }x;
}y[10];

若要訪問結構變量y[1]中聯合x的成員i, 能夠寫成: y[1].x.i; 
若要訪問結構變量y[2]中聯合x的字符串指針ch的第一個字符可寫成: *y[2].x.ch; 
若寫成"y[2].x.*ch;"是錯誤的。

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結構體

一、struct的巨大做用

面對一個大型C/C++程序時，只看其對struct的使用狀況咱們就能夠對其編寫者的編程經驗進行評估。由於一個大型的C/C++程序，勢必要涉及一些(甚至大量)進行數據組合的結構體，這些結構體能夠將本來意義屬於一個總體的數據組合在一塊兒。從某種程度上來講，會不會用struct，怎樣用struct是區別一個開發人員是否具有豐富開發經歷的標誌。在網絡協議、通訊控制、嵌入式系統的C/C++編程中，咱們常常要傳送的不是簡單的字節流（char型數組），而是多種數據組合起來的一個總體，其表現形式是一個結構體。經驗不足的開發人員每每將全部須要傳送的內容依順序保存在char型數組中，經過指針偏移的方法傳送網絡報文等信息。這樣作編程複雜，易出錯，並且一旦控制方式及通訊協議有所變化，程序就要進行很是細緻的修改。一個有經驗的開發者則靈活運用結構體，舉一個例子，假設網絡或控制協議中須要傳送三種報文，其格式分別爲packetA、packetB、packetC：

[cpp] view plaincopy

struct structA
{
    int a;
    char b;
};
struct structB
{
    char a;
    short b;
};
struct structC
{
    int a;
    char b;
    float c;
}

優秀的程序設計者這樣設計傳送的報文：

[cpp] view plaincopy

struct CommuPacket
{
    int iPacketType;　　//報文類型標誌
    union　　　　　　   //每次傳送的是三種報文中的一種，使用union
    {
        struct structA packetA;
        struct structB packetB;
        struct structC packetC;
    }
};

在進行報文傳送時，直接傳送struct CommuPacket一個總體。

　　假設發送函數的原形以下：

// pSendData：發送字節流的首地址，iLen：要發送的長度
Send(char * pSendData, unsigned int iLen);
發送方能夠直接進行以下調用發送struct CommuPacket的一個實例sendCommuPacket：
Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
假設接收函數的原形以下：
// pRecvData：發送字節流的首地址，iLen：要接收的長度
//返回值：實際接收到的字節數
unsigned int Recv(char * pRecvData, unsigned int iLen)；
接收方能夠直接進行以下調用將接收到的數據保存在struct CommuPacket的一個實例
recvCommuPacket中：

Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
接着判斷報文類型進行相應處理：

[cpp] view plaincopy

switch(recvCommuPacket. iPacketType)
{
    case PACKET_A:
    …    //A類報文處理
    break;
    case PACKET_B:
    …　 //B類報文處理
    break;
    case PACKET_C:
    …   //C類報文處理
    break;
}

以上程序中最值得注意的是

Send( (char *)&sendCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
Recv( (char *)&recvCommuPacket , sizeof(CommuPacket) );
中的強制類型轉換：(char *)&sendCommuPacket、(char *)&recvCommuPacket，先取地址，再轉化爲char型指針，這樣就能夠直接利用處理字節流的函數。

　　利用這種強制類型轉化，咱們還能夠方便程序的編寫，例如要對sendCommuPacket所處內存初始化爲0，能夠這樣調用標準庫函數memset()：

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

二、struct成員對齊

Intel、微軟等公司曾經出過一道相似的面試題：

[cpp] view plaincopy

#include <iostream.h>
#pragma pack(8)
struct example1
{
    short a;
    long b;
};
struct example2
{
    char c;
    example1 struct1;
    short e;
};
#pragma pack()
int main(int argc, char* argv[])
{
    example2 struct2;
    cout << sizeof(example1) << endl;
    cout << sizeof(example2) << endl;
    cout << (unsigned int)(&struct2.struct1) - (unsigned int)(&struct2) << endl;  //struct2.struct1的內存地址-struct2的內存地址。
    return 0;
}

問程序的輸入結果是什麼？

答案是：

8
16
4

不明白？仍是不明白？下面一一道來：

2.1 天然對界

  struct是一種複合數據類型，其構成元素既能夠是基本數據類型（如int、long、float等）的變量，也能夠是一些複合數據類型（如 array、struct、union等）的數據單元。對於結構體，編譯器會自動進行成員變量的對齊，以提升運算效率。32位cpu的採用1字節對界來提升運行速度，因此編譯器會盡可能把數據放在它的對界上以提升內存命中率。缺省狀況下，編譯器爲結構體的每一個 成員按其天然對界（natural alignment）條件分配空間。各個成員按照它們被聲明的順序在內存中順序存儲，第一個成員的地址和整個結構的地址相同。

 天然對界(natural alignment)即默認對齊方式，是指按結構體的成員中size最大的成員對齊。

  例如：

[cpp] view plaincopy

struct naturalalign
{
    char a;
    short b;
    char c;
};

在上述結構體中，size最大的是short，其長度爲2字節，於是結構體中的char成員a、c都以2爲單位齊，sizeof(naturalalign)的結果等於6；

若是改成：

[cpp] view plaincopy

struct naturalalign
{
    char a;
    int b;
    char c;
};

其結果顯然爲12。

2.2 指定對界

通常地，能夠經過下面的方法來改變缺省的對界條件：

    使用僞指令#pragma pack (n)，編譯器將按照n個字節對齊；
    使用僞指令#pragma pack ()，取消自定義字節對齊方式。

　　注意：若是#pragma pack (n)中指定的n大於結構體中最大成員的size，則其不起做用，結構體仍然按照size最大的成員進行對界。

例如：

[cpp] view plaincopy

#pragma pack (n)
struct naturalalign
{
    char a;
    int b;
    char c;
};

當n爲4、8、16時，其對齊方式均同樣，sizeof(naturalalign)的結果都等於12。而當n爲2時，其發揮了做用，使得sizeof(naturalalign)的結果爲8。

2.3 面試題的解答

　　至此，咱們能夠對Intel、微軟的面試題進行全面的解答。

　　程序中第2行#pragma pack (8)雖然指定了對界爲8，可是因爲struct example1中的成員最大size爲4（long變量size爲4），故struct example1仍然按4字節對界，struct example1的size爲8，即第18行的輸出結果；

　　struct example2中包含了struct example1，其自己包含的簡單數據成員的最大size爲2（short變量e），可是由於其包含了struct example1，而struct example1中的最大成員size爲4，struct example2也應以4對界，#pragma pack (8)中指定的對界對struct example2也不起做用，故19行的輸出結果爲16；

　　因爲struct example2中的成員以4爲單位對界，故其char變量c後應補充3個空，其後纔是成員struct1的內存空間，20行的輸出結果爲4。

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結構和聯合的區別：

（1）struct和union都是由多個不一樣的數據類型成員組成, 但在任何同一時刻, union中只存放了一個被選中的成員, 而struct的全部成員都存在。在struct中，各成員都佔有本身的內存空間，它們是同時存在的。一個struct變量的總長度等於全部成員長度之和。在Union中，全部成員不能同時佔用它的內存空間，它們不能同時存在。Union變量的長度等於最長的成員的長度。

（2）對於union的不一樣成員賦值, 將會對其它成員重寫, 原來成員的值就不存在了, 而對於struct的不一樣成員賦值是互不影響的。