如何設計結構體
時間:2021-08-19 15:51:26
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[導讀]之前我寫過一篇《如何設計一個C的類》,今天這里繼續(xù)聊聊如何設計結構體,注意本文不介紹在C中結構體和類具體有什么區(qū)別,本文所說的結構體是指只有數(shù)據(jù)字段不帶任何函數(shù)的那種結構體。當創(chuàng)建結構體的實例時,結構體的數(shù)據(jù)成員會按其聲明的順序連續(xù)存儲。然而,這個聲明的順序也是有學問的,順序不同...
之前我寫過一篇《如何設計一個C 的類》,今天這里繼續(xù)聊聊如何設計結構體,注意本文不介紹在C 中結構體和類具體有什么區(qū)別,本文所說的結構體是指只有數(shù)據(jù)字段不帶任何函數(shù)的那種結構體。
當創(chuàng)建結構體的實例時,結構體的數(shù)據(jù)成員會按其聲明的順序連續(xù)存儲。然而,這個聲明的順序也是有學問的,順序不同結構體的大小可能有很大差別,數(shù)據(jù)成員的訪問性能也可能會有很大區(qū)別!
這里涉及一個概念:內(nèi)存對齊。關于內(nèi)存對齊我之前寫過一篇文章:《內(nèi)存對齊》,這里不深入討論,只是簡單介紹一下。
大多數(shù)編譯器會對齊數(shù)據(jù)成員,會以四舍五入地址方式來優(yōu)化數(shù)據(jù)的訪問,如下表所示。
這種內(nèi)存對齊可能會在成員大小混合的結構體中產(chǎn)生未使用字節(jié)的空洞。
例如:
最后還有4個未使用的字節(jié)空洞。這樣做的原因是,數(shù)組中S的下一個實例必須從一個能被8整除的地址開始,以便將其b成員以8對齊。
然而,如果改變一下結構體中數(shù)據(jù)成員聲明的順序,通過將最小的成員放在最后,未使用的字節(jié)數(shù)可以減少到2:
在此特性上,類和結構體相同。通過重新排序數(shù)據(jù)成員,結構體對象和類對象通??梢宰兊酶 H绻愔辽儆幸粋€虛成員函數(shù),則在第一個數(shù)據(jù)成員之前或最后一個成員之后會有一個指向虛函數(shù)表的指針。該指針在32位系統(tǒng)中為4字節(jié),在64位系統(tǒng)中為8字節(jié)。
如果不確定結構體或它的每個成員有多大,可以使用sizeof操作符進行一些測試。sizeof操作符返回的值包括對象末尾的任何未使用的字節(jié)(內(nèi)存對齊后的字節(jié)數(shù))。
還有一個知識點:
如果數(shù)據(jù)成員相對于結構體或類開頭的偏移量小于128,則訪問數(shù)據(jù)成員的代碼會更加緊湊,因為該偏移量可以使用8位有符號的數(shù)字來表示。如果相對于結構體或類的開頭的偏移量是128字節(jié)或更多,那么偏移量必須表示為一個32位數(shù)字(指令集在8位到32位之間沒有偏移量)。例如:
b成員的偏移量是400。任何通過指針或成員函數(shù)訪問b字段的代碼都需要將偏移量編碼為32位數(shù)字。如果交換a和b,則兩者都可以通過編碼為8位有符號數(shù)字的偏移量來訪問,或者根本不需要偏移量。
這會使代碼更緊湊,方便更有效地使用代碼緩存。因此,建議在結構或類聲明中,大數(shù)組和其他大對象排在最后,最常用的數(shù)據(jù)成員排在前面。如果不能在前128個字節(jié)內(nèi)包含所有數(shù)據(jù)成員,則將最常用的成員放在前128個字節(jié)中。
通過上面兩個小知識點可以使得將結構體設計的更小,訪問數(shù)據(jù)成員的速度更快,但是這有時往往會犧牲一些可讀性,比如這種結構體:
小總結:
打完收工。
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當創(chuàng)建結構體的實例時,結構體的數(shù)據(jù)成員會按其聲明的順序連續(xù)存儲。然而,這個聲明的順序也是有學問的,順序不同結構體的大小可能有很大差別,數(shù)據(jù)成員的訪問性能也可能會有很大區(qū)別!
這里涉及一個概念:內(nèi)存對齊。關于內(nèi)存對齊我之前寫過一篇文章:《內(nèi)存對齊》,這里不深入討論,只是簡單介紹一下。
大多數(shù)編譯器會對齊數(shù)據(jù)成員,會以四舍五入地址方式來優(yōu)化數(shù)據(jù)的訪問,如下表所示。
這種內(nèi)存對齊可能會在成員大小混合的結構體中產(chǎn)生未使用字節(jié)的空洞。
例如:
struct S {
short int a; // 2字節(jié)
// 6個空洞
double b; // 8
int d; // 4
// 4個空洞
};
S ArrayOfStructures[100];
這里,在a和b之間有6個未使用的字節(jié),因為b必須從一個能被8整除的地址開始。最后還有4個未使用的字節(jié)空洞。這樣做的原因是,數(shù)組中S的下一個實例必須從一個能被8整除的地址開始,以便將其b成員以8對齊。
然而,如果改變一下結構體中數(shù)據(jù)成員聲明的順序,通過將最小的成員放在最后,未使用的字節(jié)數(shù)可以減少到2:
struct S {
double b; // 8
int d; // 4
short int a; // 2
// 2個空洞
};
S ArrayOfStructures[100];
這種重新排序使結構體變小了8個字節(jié),那整個數(shù)組則變小了800個字節(jié)。在此特性上,類和結構體相同。通過重新排序數(shù)據(jù)成員,結構體對象和類對象通??梢宰兊酶 H绻愔辽儆幸粋€虛成員函數(shù),則在第一個數(shù)據(jù)成員之前或最后一個成員之后會有一個指向虛函數(shù)表的指針。該指針在32位系統(tǒng)中為4字節(jié),在64位系統(tǒng)中為8字節(jié)。
如果不確定結構體或它的每個成員有多大,可以使用sizeof操作符進行一些測試。sizeof操作符返回的值包括對象末尾的任何未使用的字節(jié)(內(nèi)存對齊后的字節(jié)數(shù))。
還有一個知識點:
如果數(shù)據(jù)成員相對于結構體或類開頭的偏移量小于128,則訪問數(shù)據(jù)成員的代碼會更加緊湊,因為該偏移量可以使用8位有符號的數(shù)字來表示。如果相對于結構體或類的開頭的偏移量是128字節(jié)或更多,那么偏移量必須表示為一個32位數(shù)字(指令集在8位到32位之間沒有偏移量)。例如:
struct S {
int a[100]; // 400
int b; // 4
int read() { return b; }
};
b成員的偏移量是400。任何通過指針或成員函數(shù)訪問b字段的代碼都需要將偏移量編碼為32位數(shù)字。如果交換a和b,則兩者都可以通過編碼為8位有符號數(shù)字的偏移量來訪問,或者根本不需要偏移量。
這會使代碼更緊湊,方便更有效地使用代碼緩存。因此,建議在結構或類聲明中,大數(shù)組和其他大對象排在最后,最常用的數(shù)據(jù)成員排在前面。如果不能在前128個字節(jié)內(nèi)包含所有數(shù)據(jù)成員,則將最常用的成員放在前128個字節(jié)中。
通過上面兩個小知識點可以使得將結構體設計的更小,訪問數(shù)據(jù)成員的速度更快,但是這有時往往會犧牲一些可讀性,比如這種結構體:
struct S {
int deskA;
double deskB;
bool deskC;
int chairA;
double chairB;
bool chairC;
};
可能這樣修改后結構體會更?。?/p>struct S {
int deskA;
int chairA;
double deskB;
double chairB;
bool deskC;
bool chairC;
};
但是我們一般情況下貌似希望同類的字段放在一起,這樣代碼可讀性更高一些,易于讀懂代碼。至于這種結構體具體需不需要重新排序,那就需要大家自己權衡啦。小總結:
- 注意內(nèi)存對齊;
- 128是個檻,常用的數(shù)據(jù)成員可考慮放在前128字節(jié)中,不常用的或大的數(shù)據(jù)成員可考慮放在后面;
- 注重性能優(yōu)化的同時也需要權衡一下代碼的可讀性。
打完收工。
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1、少寫點if-else吧,它的效率有多低你知道嗎?2、年度原創(chuàng)好文匯總3、全網(wǎng)首發(fā)??!C 20新特性全在這一張圖里了4、他來了,他來了,C 17新特性精華都在這了5、一文讓你搞懂設計模式6、C 11新特性,所有知識點都在這了!