结构体布局

认识基础类型

首先来认识一下，C++ 中常用的基础类型有：

类型	大小	值范围
bool	1 字节	true 或 false
int8_t	1 字节	-128 到 127
int16_t	2 字节	-32768 到 32767
int32_t	4 字节	-2147483648 到 2147483647
int64_t	8 字节	-2^63 到 2^63-1
uint8_t	1 字节	0 到 255
uint16_t	2 字节	0 到 65535
uint32_t	4 字节	0 到 4294967295
uint64_t	8 字节	0 到 2^64-1
float	4 字节	3.4e-38 到 3.4e+38
double	8 字节	-1.79769e+308 到 1.79769e+308

认识结构体

结构体的好处

为什么要发明结构体呢？有什么好处？

例如，要表示一个点，需要 x 和 y 两个坐标。

假如，我们现在要实现很多用于处理点运算的函数，例如，计算两点间距离的函数。

如何把两个点的坐标传入函数呢？

用 x0 和 y0 表示第一个点的坐标，用 x1 和 y1 表示第二个点的坐标。

double calc_distance(double x0, double y0, double x1, double y1) {
    double dx = x1 - x0;
    double dy = y1 - y0;
    return sqrt(dx * dx + dy * dy);
}

可以看到，我们想要传入两个点的坐标，但是函数却要传入四个参数，如果要传入更多的点坐标或其他复杂的抽象概念，就需要不断增加函数的参数，导致代码混乱，最终分不清哪个参数是哪个点的坐标。

因此，我们可以用结构体把两个坐标打包成一个整体：

struct Point {
    double x;
    double y;
};

这样我们在编写和调用函数的时候，关注点就从每个点的具体坐标分量，转移到“点”这个抽象概念本身，不必纠结于这个点到底需要几个 double 来表示了。

double calc_distance(Point p0, Point p1) {
    double dx = p1.x - p0.x;
    double dy = p1.y - p0.y;
    return sqrt(dx * dx + dy * dy);
}

这个函数现在一目了然，输入两个点，返回这两点间的距离，比之前四个参数看起来整洁多了。

从属关系

得益于结构体的 . 级联访问，变量的从属关系也变得一目了然，p0.x 就是 0 号点的 x 坐标，p1.x 就是 1 号点的 x 坐标，再也不用一坨浆糊的 x0、x1 混搭风变量命名。

例如 firstStudent.name (第一个学生的名字) 和 bestStudent.account.password （最好学生的帐号的密码) 远比 firstName 和 bestAccount1password 直观。

这是的 . 就像中文 的 一样。

结构体嵌套

谁说结构体只能由基本类型组成？谁说结构体里不能再含有结构体？

例如我们需要计算一条直线的长度，实现函数 calc_line_length，这时出现了和之前一样的抉择：

1. 把直线的两个端点 (用我们的 Point 类) 分别作为参数，传入函数：

double calc_line_length(Point p0, Point p1) {
    return calc_distance(p0, p1);
}

2. 把直线这个抽象的概念封装成单独一个结构体，作为一个参数，传入函数：

struct Line {
    Point p0;
    Point p1;
};

double calc_line_length(Line line) {
    return calc_distance(line.p0, line.p1);
}

Line 由两个 Point 组成，Point 又进一步由两个 double 组成。

想要理解 Line 的人只需要知道两个端点 Point 组成即可。 想要理解 Point 的人只需要知道两个 （或三个) 坐标值 double 组成即可。

这比一个 Line 直接用四个 double 来表示要直观得多。

如此层层封装，从基础类型建构出参天大树来，且每一层都以人类容易理解的方式，在保证可维护性的情况下，构造出复杂的多层逻辑。

研究表明，人类的大脑天生擅长理解树状组织的概念——他每一次学习，只需要理解每一层之间上下的关系，而不需要全部塞进大脑内存。而如果全部摊平，扁平化地堆在一起，脑容量就不够用，无法同时理解一切。

方便升级

不仅如此，我们还很容易升级这个函数，例如当我们的甲方需求有变，现在需要处理三维点时，只需要往 Point 结构体里添加一个 z 成员：

struct Point {
    double x;
    double y;
    double z;
};

double calc_distance(Point p0, Point p1) {
    double dx = p1.x - p0.x;
    double dy = p1.y - p0.y;
    double dz = p1.z - p0.z;
    return sqrt(dx * dx + dy * dy + dz * dz);
}

而函数的接口依然是两个 Point 作为参数不变，不用找到所有调用 calc_distance 的地方一个个去修改添加 z0、z1 了，只需要改函数实现本身即可。

结构体的布局

结构体的布局，是指结构体在内存中的布局方式。

例如，有如下结构体：

struct Point {
    double x;
    double y;
};

这个结构体在内存中的布局，就是 x 和 y 两个成员挨在一起，没有空隙。

而如果有如下结构体：

struct Point2 {
    double x;
    int y;
};