如何設(shè)計只有數(shù)據(jù)字段的結(jié)構(gòu)體

之前寫過一篇《如何設(shè)計一個C++的類》，今天這里繼續(xù)聊聊如何設(shè)計結(jié)構(gòu)體，注意本文不介紹在C++中結(jié)構(gòu)體和類具體有什么區(qū)別，本文所說的結(jié)構(gòu)體是指只有數(shù)據(jù)字段不帶任何函數(shù)的那種結(jié)構(gòu)體。

當(dāng)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體的實例時，結(jié)構(gòu)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(xué)問的，順序不同結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體相同。通過重新排序數(shù)據(jù)成員，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體設(shè)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(jié)構(gòu)體：

struct S {

int deskA;

double deskB;

bool deskC;

int chairA;

double chairB;

bool chairC;

};

可能這樣修改后結(jié)構(gòu)體會更小：

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(jié)構(gòu)體具體需不需要重新排序，那就需要大家自己權(quán)衡啦。

小總結(jié)：

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(quán)衡一下代碼的可讀性。

打完收工。

責(zé)任編輯：haq