第二章為程序設(shè)計技術(shù)，本文為2.2.1 內(nèi)存對齊和2.2.2 基本數(shù)據(jù)類型。

我們知道，數(shù)組和指針是相同類型有序數(shù)據(jù)的集合，但很多時候需要將不同類型的數(shù)據(jù)捆綁在一起作為一個整體來對待，使程序設(shè)計更方便。在C語言中，這樣的一組數(shù)據(jù)被稱為結(jié)構(gòu)體。

>>>2.2.1內(nèi)存對齊

雖然所有的變量最后都會保存到特定地址的內(nèi)存中，但相應(yīng)的內(nèi)存空間必須滿足內(nèi)存對齊的要求。主要出于兩個方面的原因：

• 平臺原因：不是所有的硬件平臺（特別是嵌入式系統(tǒng)中使用的低端微處理器）都能訪問任意地址上的任意數(shù)據(jù)，某些硬件平臺只能訪問對齊的地址，否則會出現(xiàn)硬件異常。

• 性能原因：如果數(shù)據(jù)存放在未對齊的內(nèi)存空間中，則處理器訪問變量時需要做兩次內(nèi)存訪問，而對齊的內(nèi)存訪問僅需要一次訪問。

在32位微處理器中，處理器訪問內(nèi)存都是按照32位進行的，即一次讀取或?qū)懭攵际?個字節(jié)，比如，地址0x0 ~ 0xF這16字節(jié)的內(nèi)存，對于微處理器來說，不是將其看作16個單一字節(jié)，而是4個塊，每塊4個字節(jié)，詳見圖2.4。

圖2.4 內(nèi)存空間示意圖

顯然，只能從0x0、0x4、0x8、0xC等地址為4的整數(shù)倍的內(nèi)存中一次取出4個字節(jié)，并不能從任意地址開始一次讀取4個字節(jié)。假定將一個占用4字節(jié)的int類型數(shù)據(jù)存放到地址0開始的4字節(jié)內(nèi)存中，其示意圖詳見圖2.5。

圖2.5 按內(nèi)存對齊的方式存儲int數(shù)據(jù)

由于int類型數(shù)據(jù)存放在塊0中，因此CPU僅需一次內(nèi)存訪問即可完成對該數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭搿７粗绻麑⒃搃nt類型數(shù)據(jù)存放在地址1開始的4字節(jié)內(nèi)存空間中，其示意圖詳見圖2.6。

圖2.6 按內(nèi)存未對齊的方式存儲int數(shù)據(jù)

此時，數(shù)據(jù)存放在塊0和塊1兩個塊中，若要完成對該數(shù)據(jù)的訪問，必須經(jīng)過兩次內(nèi)存訪問，先通過訪問塊0得到該數(shù)據(jù)的3個字節(jié)，再通過訪問塊1得到該數(shù)據(jù)的1個字節(jié)，最后通過運算，將這幾個字節(jié)合并為一個完整的int型數(shù)據(jù)。由此可見，若數(shù)據(jù)存儲在未對齊的內(nèi)存空間中，將大大降低CPU的效率。但在某些特定的微處理器中，它根本不愿意干這種事情，這種情況下，就出現(xiàn)系統(tǒng)異常，直接崩潰了。內(nèi)存對齊的具體規(guī)則如下：

（1）結(jié)構(gòu)體各個成員變量的內(nèi)存空間的首地址必須是“對齊系數(shù)”和“變量實際長度”中較小者的整數(shù)倍。假設(shè)要求變量的內(nèi)存空間按照4字節(jié)對齊，則內(nèi)存空間的首地址必須是4的整數(shù)倍，滿足條件的地址有0x0、0x4、0x8、0xC……

（2）對于結(jié)構(gòu)體，在其各個數(shù)據(jù)成員都完成對齊后，結(jié)構(gòu)體本身也需要對齊，即結(jié)構(gòu)體占用的總大小應(yīng)該為“對齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)成員長度” 中較小值的整數(shù)倍。

一般來說，對齊系數(shù)與微處理器的字長相同，比如，32位微處理器的對齊系數(shù)是4字節(jié)，變量的實際長度與其類型相關(guān)，計算類型長度的方法如下：

該程序的輸出為：1、4、4、4、8。假定CPU為32位微處理器，對齊系數(shù)為4，結(jié)構(gòu)體變量data的定義如下：

結(jié)構(gòu)體的各個成員都是從結(jié)構(gòu)體首地址（其由編譯器保證必然滿足內(nèi)存對齊的要求，假定為0）開始計算，按照定義的順序依次存放各個成員，詳見表2.1。

表2.1依次存放各個成員

實際存放位置使用[x,y]表示，x表示起始地址，y表示結(jié)束地址。如果x與y相等，則直接使用[x]表示。以成員b為例，其長度為2，小于對齊系數(shù)，因此按照2字節(jié)對齊，就要求其地址必須是2的倍數(shù)，地址0已經(jīng)被成員a占用，則只能使用滿足要求的鄰近的內(nèi)存空間[2,3]存放成員b。而空間[1]由于不滿足存放成員b的要求，則只能被棄用。特別地，對于數(shù)組成員c，存放時不能將其看作一個整體，即長度為2的成員，應(yīng)該分別看作兩個成員c[0]和c[1]。由此可見，實際存放位置為[0,24]，1、6、7、17、18、19部分內(nèi)存空間被棄用。

當(dāng)所有成員存放完畢后，則結(jié)構(gòu)體本身也需要對齊，即結(jié)構(gòu)體的大小也應(yīng)該為對齊字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍，對齊字節(jié)數(shù)取長度最長的成員和“對齊系數(shù)”的較小值。在這里，其長度最長的成員為double類型的成員d，其長度為8，大于對齊系數(shù)，因此結(jié)構(gòu)體本身也要按照4字節(jié)對齊，其占用的空間大小必須是4的整數(shù)倍。雖然當(dāng)前存放位置為[0,24]，只占用了25個字節(jié)。由于必須滿足4的整數(shù)倍，因此實際上結(jié)構(gòu)體占用的空間是28個字節(jié)，即[0,27]。驗證結(jié)構(gòu)體占用空間大小的方法如下：

雖然所有成員的總長度為19個字節(jié)，但結(jié)構(gòu)體實際占用了28個字節(jié)，多余的9個字節(jié)空間為內(nèi)存對齊棄用的空間，即1、6、7、17、18、19、25、26、27，分為4個段：[1]，[6,7]，[17,19]，[25,27]。查看表2.1可知，這些浪費空間的前面，存放的都是char型數(shù)據(jù)，由于char型數(shù)據(jù)只占用一個字節(jié)，往往使得其緊接著的空間不能被其它長度更長的數(shù)據(jù)使用。

為了降低內(nèi)存浪費的概率，應(yīng)該在char型數(shù)據(jù)之后，存放長度最小的成員。即在定義結(jié)構(gòu)體時，應(yīng)按照長度遞增的順序依次定義各個成員。優(yōu)化示例結(jié)構(gòu)體的定義如下：

類似地，依次存放各個成員，詳見表2.2。

表2.2依次存放各個成員

所有成員實際存放位置為[0,19]，中間的地址為5的內(nèi)存空間被棄用。由于結(jié)構(gòu)體占用的大小為20個字節(jié)，已經(jīng)是4的整數(shù)倍，因此無需再做額外的處理。結(jié)構(gòu)體只浪費了1個字節(jié)空間，使用率達到95%。顯然，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體成員的定義順序，在同樣滿足內(nèi)存對齊的要求下，可以大大地減少內(nèi)存的浪費。

>>>2.2.2基本數(shù)據(jù)類型

1.范圍值校驗

如果有min≤value≤max，則check()范圍值校驗函數(shù)需要3個int型參數(shù)value、min和max。如果value合法，則返回true，否則返回false，詳見程序清單2.10。

程序清單 2.10 rangeCheck()范圍值校驗函數(shù)的實現(xiàn)（1）

• 代碼整潔之道

rangeCheck是一個非常具有描述性的名字，因為它較好地描述了函數(shù)要做的事，所以好名字的價值怎么評價都不過分。如果每個示例都讓你感到深合己意，那就是整潔代碼。函數(shù)越短小，功能越集中，就越容易取一個好名字。名字長一些并不可怕，長而具有描述性的名字，比短而令人費解的名字更好。選擇具有描述性的名字能幫助程序員理清模塊的設(shè)計思路，追索好名字往往會使代碼重構(gòu)得更好。

從代碼整潔之道的角度來看，最理想的函數(shù)參數(shù)個數(shù)是0（零參數(shù)函數(shù)），其次是單參數(shù)函數(shù)，再次是雙參數(shù)函數(shù)，因盡量避免三參數(shù)函數(shù)。如果需要三個以上的參數(shù)，需要有足夠的理由，否則無論如何也不要這樣做，因為參數(shù)帶有太多的概念性。

從測試的角度來看，參數(shù)甚至更叫人感到為難，因為編寫確保參數(shù)的各種組合運行正常的測試用例，且測試覆蓋所有可能值的組合是令人生畏的事情。輸出參數(shù)比輸入?yún)?shù)還要難以理解，因為人們習(xí)慣性地認為，信息通過參數(shù)輸入函數(shù)，通過返回值從函數(shù)中輸出，輸出參數(shù)往往讓人苦思之后才會覺得恍然大悟。如果函數(shù)看起來需要兩個、三個或三個以上的參數(shù)，說明其中的一些參數(shù)就應(yīng)該封裝為結(jié)構(gòu)體類。比如：

由此可見，減少函數(shù)參數(shù)的最佳方法是一個函數(shù)只做一件事，“函數(shù)要么做什么事，要么回答什么事！”兩者不可兼得。函數(shù)應(yīng)該修改某個對象的狀態(tài)，或返回該對象的有關(guān)信息，兩樣都干常常會出現(xiàn)混亂。

2.類型與變量

由于有了結(jié)構(gòu)體，因此可以將rangeCheck()的形參min和max轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)體中，不僅減少了一個形參，而且處理起來更方便。比如：

該聲明描述了一個由兩個int類型變量組成的結(jié)構(gòu)體，不僅創(chuàng)建了實際數(shù)據(jù)的對象range，而且描述了該對象是由什么組成的，因為它勾勒出了結(jié)構(gòu)體是如何存儲數(shù)據(jù)的。顯然，range是struct _Range類型的結(jié)構(gòu)體變量，如果在該結(jié)構(gòu)體定義前添加typedef：

此時，range就變成了該結(jié)構(gòu)體的類型，即range等同于struct _Range。習(xí)慣的寫法是將類型名的首字符大寫，將變量名的首字符小寫。有了Range類型，即可同時定義一個Range類型的變量range和一個指向Range *類型的指針變量pRange，當(dāng)然也可以省略類型名_Range。比如：

注意，結(jié)構(gòu)體有兩層含義，一層含義是“結(jié)構(gòu)體布局”，結(jié)構(gòu)體布局告訴編譯器是如何表示數(shù)據(jù)的，但它并未讓編譯器為數(shù)據(jù)分配空間。下一步是創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體變量，即結(jié)構(gòu)體的另一層含義，其定義如下：

編譯器執(zhí)行這行代碼便創(chuàng)建了一個結(jié)構(gòu)體變量range，編譯器使用Range為該變量分配空間：一個int類型的變量min和一個int類型的變量max，這些存儲空間都與一個名稱range結(jié)合在一起。

3.初始化

假設(shè)value值的有效范圍為0~9，在這里可以使用名為newRangeCheck的宏方便地將結(jié)構(gòu)體初始化。比如：

使用方法如下：

宏展開后如下：

其相當(dāng)于：

從本質(zhì)上來看，.min和.max的作用相當(dāng)于Range結(jié)構(gòu)體的下標。雖然Range是一個結(jié)構(gòu)體，但range.min和range.max都是int類型的變量，因此可以象使用其它int類型變量那樣使用它，比如，&(range.min)。

由此可見，如果初始化一個靜態(tài)存儲期的結(jié)構(gòu)體，初始化列表中的值必須是常量表達式。如果是自動存儲期，初始化列表中的值可以不是常量。

4.接口與實現(xiàn)

（1）傳遞結(jié)構(gòu)體成員

只要結(jié)構(gòu)體成員是一個具有單個值的數(shù)據(jù)類型，比如，int、char、float、double或指針，便可將它作為參數(shù)傳遞給接受該特定類型的函數(shù)，rangeCheck()的實現(xiàn)詳見程序清單2.11。

程序清單 2.11 rangeCheck()函數(shù)的實現(xiàn)（2）

其調(diào)用形式如下：

rangeCheck()既不知道也不關(guān)心實參是否是結(jié)構(gòu)體的成員，它只要求傳入的數(shù)據(jù)是int類型。如果需要在被調(diào)函數(shù)中修改主調(diào)函數(shù)中成員的值，就要傳遞成員的地址。

（2）傳遞結(jié)構(gòu)體

雖然傳遞一個結(jié)構(gòu)體比一個單獨的值復(fù)雜，但標準C同樣允許將結(jié)構(gòu)體作為參數(shù)使用，rangeCheck()函數(shù)的實現(xiàn)詳見程序清單2.11。

程序清單 2.12 rangeCheck()函數(shù)的實現(xiàn)（3）

其調(diào)用形式如下：

雖然通過這種方法能夠得到正確的結(jié)果，但它的效率很低，因為C語言的參數(shù)傳址調(diào)用方式要求將參數(shù)的一份拷貝傳遞給函數(shù)。假設(shè)結(jié)構(gòu)體的成員是一個占用128字節(jié)的數(shù)組，甚至更大的數(shù)組。如果要將它作為參數(shù)進行傳遞，則必須將所占用的字節(jié)數(shù)復(fù)制到堆棧中，以后再丟棄。

（3）傳遞結(jié)構(gòu)體的地址

假設(shè)有一組這樣的數(shù)據(jù)，存儲在結(jié)構(gòu)體成員數(shù)組中。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

顯然，只要將結(jié)構(gòu)體的地址(int *)&st作為實參傳遞給iMax()的形參，即可求出數(shù)組中元素的最大值，詳見程序清單 2.13。

程序清單 2.13 求數(shù)組中元素的最大值范例程序

下面還是以范圍值校驗器為例，定義一個指向該結(jié)構(gòu)體的指針變量pRange，其初始化、賦值與普通指針變量是一樣的：

和數(shù)組不一樣，結(jié)構(gòu)名并不是結(jié)構(gòu)體的地址，因此要在結(jié)構(gòu)名前加上&運算符，因此這里的pRange為指向Range結(jié)構(gòu)體變量range的指針變量。雖然pRange、&range和&range.min的類型不一樣，但它們的值相等，那么下面的關(guān)系恒成立：

由于.運算符比*運算符的優(yōu)先級高，因此必須使用圓括號。這里著重理解pRange是一個指針，pRange->min表示pRange指向結(jié)構(gòu)體的首成員，所以pRange->min是一個int類型的變量，rangeCheck()函數(shù)的實現(xiàn)詳見程序清單2.14。

程序清單 2.14 rangeCheck()函數(shù)的實現(xiàn)（4）

rangeCheck()使用指向Range的指針pRange作為它的參數(shù)，將地址&range傳遞給該函數(shù)，使得指針pRange指向range，然后通過->運算符獲取range.min和range.max的值。注意，必須使用&運算符獲取結(jié)構(gòu)體的地址，和數(shù)組名不同，結(jié)構(gòu)體名只是其地址的別名。

其調(diào)用形式如下：

（4）用函數(shù)指針調(diào)用

如果需要增加一個奇偶校驗器對value值進行偶校驗，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

oddEvenCheck()函數(shù)的實現(xiàn)詳見程序清單 2.15。

程序清單 2.15 oddEvenCheck()函數(shù)的實現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)需要多個校驗器后，在運行時調(diào)用者將根據(jù)實際情況決定調(diào)用哪個函數(shù)，根據(jù)依賴倒置原則，最好的方法是用函數(shù)指針隔離變化。無論什么校驗器，其相同的處理部分是value值的合法性判斷，因此將其抽象為模塊。而可變的是value值和校驗參數(shù)，由外部傳入的參數(shù)應(yīng)對。由于各種校驗器的類型不一樣，因此必須使用“void *pData”作為形參才能接受任意類型的數(shù)據(jù)，即將Range *pRange和OddEven*pOddEven泛化成了void *pData。Validate類型的定義如下：

其中，pData為指向任意校驗器參數(shù)的指針，value為待校驗的值，通用校驗器的接口詳見程序清單 2.16。

程序清單 2.16 通用校驗器接口（validator.h）

以范圍值校驗器為例，其調(diào)用形式如下：

這次傳遞給函數(shù)的是一個指向結(jié)構(gòu)體的指針，指針比整個結(jié)構(gòu)體要小得多，所以將它壓到堆棧上的效率要高很多，validator接口的實現(xiàn)詳見程序清單 2.17。

程序清單 2.17 validator接口的實現(xiàn)（validator.c）

由于pRange、pOddEven與pData的類型不同，因此需要對pData強制類型轉(zhuǎn)換，才能引用相應(yīng)結(jié)構(gòu)體的成員。注意，在這里，作者并沒有提供完整的代碼，請讀者補充完善。