第二章為程序設(shè)計(jì)技術(shù)，本文為2.2.1 內(nèi)存對(duì)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(shí)候需要將不同類型的數(shù)據(jù)捆綁在一起作為一個(gè)整體來對(duì)待，使程序設(shè)計(jì)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(duì)齊

雖然所有的變量最后都會(huì)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(duì)齊的要求。主要出于兩個(gè)方面的原因：

• 平臺(tái)原因：不是所有的硬件平臺(tái)（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(tái)只能訪問對(duì)齊的地址，否則會(huì)出現(xiàn)硬件異常。

• 性能原因：如果數(shù)據(jù)存放在未對(duì)齊的內(nèi)存空間中，則處理器訪問變量時(shí)需要做兩次內(nèi)存訪問，而對(duì)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(jìn)行的，即一次讀取或?qū)懭攵际?個(gè)字節(jié)，比如，地址0x0 ~ 0xF這16字節(jié)的內(nèi)存，對(duì)于微處理器來說，不是將其看作16個(gè)單一字節(jié)，而是4個(gè)塊，每塊4個(gè)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(gè)字節(jié)，并不能從任意地址開始一次讀取4個(gè)字節(jié)。假定將一個(gè)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(duì)齊的方式存儲(chǔ)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(duì)該數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭?。反之，如果將該int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(duì)齊的方式存儲(chǔ)int數(shù)據(jù)

此時(shí)，數(shù)據(jù)存放在塊0和塊1兩個(gè)塊中，若要完成對(duì)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(gè)字節(jié)，再通過訪問塊1得到該數(shù)據(jù)的1個(gè)字節(jié)，最后通過運(yùn)算，將這幾個(gè)字節(jié)合并為一個(gè)完整的int型數(shù)據(jù)。由此可見，若數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在未對(duì)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(duì)齊的具體規(guī)則如下：

（1）結(jié)構(gòu)體各個(gè)成員變量的內(nèi)存空間的首地址必須是“對(duì)齊系數(shù)”和“變量實(shí)際長(zhǎng)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(duì)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(duì)于結(jié)構(gòu)體，在其各個(gè)數(shù)據(jù)成員都完成對(duì)齊后，結(jié)構(gòu)體本身也需要對(duì)齊，即結(jié)構(gòu)體占用的總大小應(yīng)該為“對(duì)齊系數(shù)”和“最大數(shù)據(jù)成員長(zhǎng)度” 中較小值的整數(shù)倍。

一般來說，對(duì)齊系數(shù)與微處理器的字長(zhǎng)相同，比如，32位微處理器的對(duì)齊系數(shù)是4字節(jié)，變量的實(shí)際長(zhǎng)度與其類型相關(guān)，計(jì)算類型長(zhǎng)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(duì)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(gè)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(duì)齊的要求，假定為0）開始計(jì)算，按照定義的順序依次存放各個(gè)成員，詳見表2.1。

表2.1依次存放各個(gè)成員

實(shí)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(zhǎng)度為2，小于對(duì)齊系數(shù)，因此按照2字節(jié)對(duì)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(duì)于數(shù)組成員c，存放時(shí)不能將其看作一個(gè)整體，即長(zhǎng)度為2的成員，應(yīng)該分別看作兩個(gè)成員c[0]和c[1]。由此可見，實(shí)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(duì)齊，即結(jié)構(gòu)體的大小也應(yīng)該為對(duì)齊字節(jié)數(shù)的整數(shù)倍，對(duì)齊字節(jié)數(shù)取長(zhǎng)度最長(zhǎng)的成員和“對(duì)齊系數(shù)”的較小值。在這里，其長(zhǎng)度最長(zhǎng)的成員為double類型的成員d，其長(zhǎng)度為8，大于對(duì)齊系數(shù)，因此結(jié)構(gòu)體本身也要按照4字節(jié)對(duì)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(gè)字節(jié)。由于必須滿足4的整數(shù)倍，因此實(shí)際上結(jié)構(gòu)體占用的空間是28個(gè)字節(jié)，即[0,27]。驗(yàn)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(zhǎng)度為19個(gè)字節(jié)，但結(jié)構(gòu)體實(shí)際占用了28個(gè)字節(jié)，多余的9個(gè)字節(jié)空間為內(nèi)存對(duì)齊棄用的空間，即1、6、7、17、18、19、25、26、27，分為4個(gè)段：[1]，[6,7]，[17,19]，[25,27]。查看表2.1可知，這些浪費(fèi)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(gè)字節(jié)，往往使得其緊接著的空間不能被其它長(zhǎng)度更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)使用。

為了降低內(nèi)存浪費(fèi)的概率，應(yīng)該在char型數(shù)據(jù)之后，存放長(zhǎng)度最小的成員。即在定義結(jié)構(gòu)體時(shí)，應(yīng)按照長(zhǎng)度遞增的順序依次定義各個(gè)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(gè)成員，詳見表2.2。

表2.2依次存放各個(gè)成員

所有成員實(shí)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(gè)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(fèi)了1個(gè)字節(jié)空間，使用率達(dá)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(duì)齊的要求下，可以大大地減少內(nèi)存的浪費(fèi)。

>>>2.2.2基本數(shù)據(jù)類型

1.范圍值校驗(yàn)

如果有min≤value≤max，則check()范圍值校驗(yàn)函數(shù)需要3個(gè)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(yàn)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)（1）

• 代碼整潔之道

rangeCheck是一個(gè)非常具有描述性的名字，因?yàn)樗^好地描述了函數(shù)要做的事，所以好名字的價(jià)值怎么評(píng)價(jià)都不過分。如果每個(gè)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(gè)好名字。名字長(zhǎng)一些并不可怕，長(zhǎng)而具有描述性的名字，比短而令人費(fèi)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(jì)思路，追索好名字往往會(huì)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(gè)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(gè)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?yàn)閰?shù)帶有太多的概念性。

從測(cè)試的角度來看，參數(shù)甚至更叫人感到為難，因?yàn)榫帉懘_保參數(shù)的各種組合運(yùn)行正常的測(cè)試用例，且測(cè)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?yàn)槿藗兞?xí)慣性地認(rèn)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(huì)覺得恍然大悟。如果函數(shù)看起來需要兩個(gè)、三個(gè)或三個(gè)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(gè)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(gè)對(duì)象的狀態(tài)，或返回該對(duì)象的有關(guān)信息，兩樣都干常常會(huì)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(gè)形參，而且處理起來更方便。比如：

該聲明描述了一個(gè)由兩個(gè)int類型變量組成的結(jié)構(gòu)體，不僅創(chuàng)建了實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)象range，而且描述了該對(duì)象是由什么組成的，因?yàn)樗蠢粘隽私Y(jié)構(gòu)體是如何存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)定義一個(gè)Range類型的變量range和一個(gè)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(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)體變量range，編譯器使用Range為該變量分配空間：一個(gè)int類型的變量min和一個(gè)int類型的變量max，這些存儲(chǔ)空間都與一個(gè)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(biāo)。雖然Range是一個(gè)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(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)期的結(jié)構(gòu)體，初始化列表中的值必須是常量表達(dá)式。如果是自動(dòng)存儲(chǔ)期，初始化列表中的值可以不是常量。

4.接口與實(shí)現(xiàn)

（1）傳遞結(jié)構(gòu)體成員

只要結(jié)構(gòu)體成員是一個(gè)具有單個(gè)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(shí)現(xiàn)詳見程序清單2.11。

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

其調(diào)用形式如下：

rangeCheck()既不知道也不關(guān)心實(shí)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(gè)結(jié)構(gòu)體比一個(gè)單獨(dú)的值復(fù)雜，但標(biāo)準(zhǔn)C同樣允許將結(jié)構(gòu)體作為參數(shù)使用，rangeCheck()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單2.11。

程序清單 2.12 rangeCheck()函數(shù)的實(shí)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?yàn)镃語言的參數(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(gè)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(jìn)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(chǔ)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(shí)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(yàn)器為例，定義一個(gè)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(yùn)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(yùn)算符比*運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)高，因此必須使用圓括號(hào)。這里著重理解pRange是一個(gè)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(gè)int類型的變量，rangeCheck()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)詳見程序清單2.14。

程序清單 2.14 rangeCheck()函數(shù)的實(shí)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(yùn)算符獲取range.min和range.max的值。注意，必須使用&運(yùn)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(gè)奇偶校驗(yàn)器對(duì)value值進(jìn)行偶校驗(yàn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

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

程序清單 2.15 oddEvenCheck()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)需要多個(gè)校驗(yàn)器后，在運(yùn)行時(shí)調(diào)用者將根據(jù)實(shí)際情況決定調(diào)用哪個(gè)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(yàn)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(yàn)參數(shù)，由外部傳入的參數(shù)應(yīng)對(duì)。由于各種校驗(yàn)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(yàn)器參數(shù)的指針，value為待校驗(yàn)的值，通用校驗(yàn)器的接口詳見程序清單 2.16。

程序清單 2.16 通用校驗(yàn)器接口（validator.h）

以范圍值校驗(yàn)器為例，其調(diào)用形式如下：

這次傳遞給函數(shù)的是一個(gè)指向結(jié)構(gòu)體的指針，指針比整個(gè)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(shí)現(xiàn)詳見程序清單 2.17。

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

由于pRange、pOddEven與pData的類型不同，因此需要對(duì)pData強(qiáng)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(qǐng)讀者補(bǔ)充完善。