c++中结构体内存对齐
时间: 2025-02-21 20:28:28 浏览: 37
### C++ 中结构体的内存对齐规则
在C++中，为了提高CPU访问速度并优化性能，编译器会对结构体中的成员变量按照一定的规则进行内存对齐处理。具体来说：
#### 对齐原则
- **基本单位**：每个数据类型的自然对齐值通常是其自身的大小。例如，`char` 的对齐值为1字节，`int` 通常为4字节，而 `double` 则可能为8字节。
- **最大对齐值**：整个结构体的最大对齐值等于其中具有最大对齐需求的数据类型。
#### 填充机制
为了让各成员能够按上述原则存储，编译器会在必要时向相邻两个成员间插入一定数量的填充字节（padding），使得下一个成员的位置满足其对应的对齐要求[^3]。
#### 计算过程展示
考虑如下定义：
```cpp
typedef struct A {
char c;
int i;
};
```
这里 `c` 占用1个字节，之后由于 `int` 需要四字节边界对齐，则紧跟在其后的三个位置被作为填充位；接着放置 `i` 所需四个连续空间。因此最终该结构占用至少8个字节的空间[^2]。
同样的逻辑适用于更复杂的例子如：
```cpp
typedef struct C {
char c; // 1 byte, padding to next multiple of 4 (total=4)
int i; // 4 bytes
double d; // 8 bytes, requires alignment on an 8-byte boundary so add another 4 bytes as padding before this member.
char c1; // 1 byte, pad with additional 7 bytes at the end because 'd' has largest alignment requirement which is 8-bytes.
}; // Total size becomes 24 bytes due to these alignments and paddings added by compiler automatically.
```
通过以上分析可以看出，即使实际有效载荷只有少量几个字节，但由于内部成员排列顺序以及各自所需的特殊对齐条件影响下，整体所占的实际内存量往往会超出预期。
对于给定的具体实例，可以通过编写测试代码来验证各个结构体的确切尺寸及其布局情况。下面是一个简单示例用于说明这一点：
```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
// 定义一些不同的结构体
typedef struct A {
char c;
int i;
} StructA;
typedef struct B {
char c;
int i;
double d;
} StructB;
typedef struct C {
char c;
int i;
double d;
char c1;
} StructC;
int main(void) {
cout << "struct A size = " << sizeof(StructA) << endl;
cout << "struct B size = " << sizeof(StructB) << endl;
cout << "struct C size = " << sizeof(StructC) << endl;
return 0;
}
```
此程序将输出每种结构体经过适当调整后的总长度，从而帮助理解不同情况下编译器是如何应用内存对齐策略的。
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网络信息扫描实验
实验三 网络信息扫描实验
一、实验目的
1、通过练习使用网络端口扫描器，可以了解目标主机开放的端口和服务程序，从而获取系统的有用信息，发现网络系统的安全漏洞。在实验中，我们将练习使用Superscan网络端口扫描工具。通过端口扫描实验，增强网络安全方面的防护意识。
2、通过使用综合扫描及安全评估工具，学习如何发现计算机系统的安全漏洞，并对漏洞进行简单分析，加深对各种网络和系统漏洞的理解。在实验中，我们将练习使用流光Fluxay5和SSS。
二、实验原理
1、网络端口扫描原理
一个开放的网络端口就是一条与计算机进行通信的信道，对网络端口的扫描可以得到目标计算机开放的服务程序、运行的系统版本信息，从而为下一步的入侵做好准备。对网络端口的扫描可以通过执行手工命令实现，但效率较低；也可以通过扫描工具实现，效率很高。扫描工具是对目标主机的安全性弱点进行扫描检测的软件。它一般具有数据分析功能，通过对端口的扫描分析，可以发现目标主机开放的端口和所提供的服务，以及相应服务软件版本和这些服务及软件的安全漏洞，从而能及时了解目标主机存在的安全隐患。
扫描工具根据作用的环境不同，可分为两种类型：网络漏洞扫描工具和主机漏洞扫描工具。主机漏洞扫描工具是指在本机运行的扫描工具，以期检测本地系统存在的安全漏洞。网络漏洞扫描工具是指通过网络检测远程目标网络和主机系统所存在漏洞的扫描工具。本实验主要针对网络漏洞扫描工具进行介绍。
1）端口的基础知识
为了了解扫描工具的工作原理，首先简单介绍一下端口的基本知识。
端口是TCP协议中所定义的，TCP协议通过套接字(socket)建立起两台计算机之间的网络连接。套接字采用[IP地址：端口号]的形式来定义，通过套接字中不同的端口号可以区别同一台计算机上开启的不同TCP和UDP连接进程。对于两台计算机间的任一个TCP连接，一台计算机的一个[IP地址：端口]套接字会和另一台计算机的一个[IP地址：端口]套接字相对应，彼此标识着源端、目的端上数据包传输的源进程和目标进程。这样网络上传输的数据包就可以由套接字中的IP地址和端口号找到需要传输的主机和连接进程了。由此可见，端口和服务进程一一对应，通过扫描开放的端口，就可以判断出计算机中正在运行的服务进程。
TCP/UDP的端口号在0～65535范围之内，其中1024以下的端口保留给常用的网络服务。例如：21端口为FTP服务，23端口为TELNET服务，25端口为SMTP服务，80端口为HTTP服务，110端口为POP3服务等。
2）扫描的原理
扫描的方式有多种，为了理解扫描原理，需要对TCP协议简要介绍一下。
一个TCP头的数据包格式如图4-16所示。它包括6个标志位，其中：
SYN用来建立连接；
ACK为确认标志位，例如，当SYN=1,ACK=0表示请求连接的数据包；当SYN=1,ACK=1表示接受连接的数据包。
FIN表示发送端已经没有数据可传了，希望释放连接。
RST位用于复位错误的连接，比如收到的一个数据分段不属于该主机的任何一个连接，则向远端计算机发送一个RST=1的复位数据包，拒绝连接请求。
根据上面介绍的知识，下面我们介绍基于TCP和UDP协议的几种端口扫描方式。
1） TCP全连接扫描
TCP全连接扫描方法是利用TCP的三次握手，与目标主机建立正常的TCP连接，以判断指定端口是否开放。这种方法的缺点是非常容易被记录或者被检测出来。
2）TCP SYN扫描
本地主机向目标主机发送SYN数据段,如果远端目标主机端口开放，则回应SYN=1,ACK=1,此时本地主机发送RST给目标主机，拒绝连接。如果远端目标主机端口未开放，则会回应RST给本地主机。由此可知，根据回应的数据段可判断目标主机的端口是否开放。由于TCP SYN扫描没有建立TCP正常连接，所以降低了被发现的可能，同时提高了扫描性能。
3）TCP FIN扫描
本地主机向目标主机发送FIN=1,如果远端目标主机端口开放，则丢弃此包，不回应；如果远端目标主机端口未开放，则返回一个RST包。FIN扫描通过发送FIN的反馈判断远端目标主机的端口是否开放。由于这种扫描方法没有涉及TCP的正常连接，所以使扫描更隐秘，也称为秘密扫描。这种方法通常适用于UNIX操作系统主机，但有的操作系统（如Windows NT）不管端口是否打开，都回复RST，这时这种方法就不适用了。
4）UDP ICMP扫描
这种方法利用了UDP协议，当向目标主机的一个未打开的UDP端口发送一个数据包时，会返回一个ICMP_PORT_UNREACHABLE错误，这样就会发现关闭的端口。
5）ICMP 扫描
这种扫描方法利用了ICMP协议的功能，如果向目标主机发送一个协议项存在错误的IP数据包，则根据反馈的ICMP错误报文，判断目标主机使用的服务。
6）间接扫描
入侵者间接利用第三方主机进行扫描，以隐藏真正入侵者的痕迹。第三方主机是通过其他入侵方法控制的主机，扫描的结果最终会从第三方主机发送给真正的入侵者。
端口扫描器是黑客常用的工具，目前的扫描工具有很多种，例如Nmap、Netcat、X-port、PortScanner、Netscan tools、Winscan、WUPS、Fscan、LANguard Network Scanner等。在下面的实验中我们以SuperScan为例详细介绍扫描器的使用。
扫描往往是入侵的前奏，所以如何有效的屏蔽计算机的端口，保护自身计算机的安全，成为计算机管理人员首要考虑的目标。为了防止对计算机网络端口的扫描，我们可以采用端口扫描监测工具来监测对端口的扫描，防止端口信息外露。常用的端口扫描监测工具包括ProtectX、PortSentry等。此外，安装防火墙也是防止端口扫描的有效方法。
2、综合扫描实验原理
综合扫描是一种自动检测系统和网络安全性弱点的程序。它是一种主要的网络安全防御技术，它与防火墙技术、入侵检测技术、加密和认证技术处于同等重要地位。其作用是在发生网络攻击事件前，系统管理员可利用综合扫描和安全评估工具检测系统和网络配置的缺陷和漏洞，及时发现可被黑客进行入侵的漏洞隐患和错误配置，给出漏洞的修补方案，使系统管理员可以根据方案及时进行漏洞的修补。当然，另一方面，综合扫描和安全评估工具也可被黑客利用，对万国目标主机进行弱口令扫描、系统漏洞扫描、主机服务扫描等多种方式的扫描，同时采用模拟攻击的手段检测目标主机在通信、服务、Web应用等多方面的安全漏洞，以期找到入侵途径。
综合扫描和安全评估技术的工作原理，首先是获得主机系统在网络服务、版本信息、Web应用等相关信息，然后采用模拟攻击的方法，对目标主机系统进行攻击性的安全漏洞扫描，如测试弱口令等，如果模拟攻击成功，则视为漏洞存在。此外，也可以根据系统实现定义的系统安全漏洞库，对系统可能存在的、已知的安全漏洞逐项进行扫描和检查，按照规则匹配的原则将扫描结果与安全漏洞库进行对比，如果满足匹配条件，则视为漏洞存在。最后，根据检测结果向系统管理员提供周密可靠的安全性分析报告，作为系统和网络安全整体水平的评估依据。
对于系统管理员来说，综合合扫描和安全评估工具是最好的帮手，合理的利用这些工具，可以在安全保卫战中做到“有的放失”，及时发现漏洞并通过下载相关程序的补丁或者更改安全配置来修补漏洞，构筑安全坚固的系统。目前常用的综合扫描和安全评估工具有很多，例如免费的流光、X-Scan、X-way及功能强大的商业软件：ISS Internet Scanner和ISS Security Scanner、Web Trends Security Analyzer、SSS（Shadow Security Scanner）、TigerSuite等。
三、实验环境
两台安装Windows 2000/XP的PC机，在其中一台上安装SuperScan、流光Fluxay5、SSS软件。将两台PC机通过HUB相连，组成一个局域网。
四、实验内容和步骤
任务一 使用SuperScan扫描
SuperScan具有端口扫描、主机名解析、Ping扫描的功能，工具的具体使用方法及界面见第八章课件。请试着实现以下功能：
1）主机名解析功能（截图）
在“锁定主机”栏中，可以输入IP地址或者需要转换的域名，点击“锁定”就可以获得转换后的结果；点击“本机”可以获得本地计算机的IP地址；点击“网络”可以获得本地计算机IP的详细设置。
2）Ping功能（截图）
SuperScan软件的Ping功能提供了检测在线主机和判断网络状况的作用。通过在“IP”栏中输入起始和结束的IP地址，然后选中“扫描类型”栏中的“仅仅Ping计算机”即可点击“开始”启动Ping扫描了。在“IP”栏，“忽略 IP为 0”和“忽略 IP为 255”分别用于屏蔽所有以0和255结尾的IP地址，“前C段”和“后C段”可直接转换到前一个或者后一个C类IP网段。“1…254”则用于直接选择整个网段。“延时”栏中可根据需要选择不同的响应时间。
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单片机实验开发板程序编写指南
单片机实验程序的知识点可以从单片机的概念、开发板的作用、实验的目的以及具体程序编写与调试方面进行详细阐述。
首先，单片机（Single-Chip Microcomputer），又称微控制器，是将中央处理单元（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出接口等主要计算机功能部件集成在一片芯片上的微小型计算机。它具备独立处理特定任务的能力，广泛应用于嵌入式系统中。单片机由于其成本低廉、体积小、功耗低、控制简单等特点，被广泛应用于家用电器、办公自动化、汽车电子、工业控制等众多领域。
接着，开发板（Development Board）是为了方便开发者使用单片机而设计的一种实验平台，通常集成了单片机、电源管理模块、外围接口电路、调试接口、编程接口等。开发板的主要作用是提供一个简洁的硬件环境，让开发者可以更容易地进行实验、测试和程序开发。在使用开发板进行单片机实验时，可以通过编程器将用户编写的程序烧录到单片机中，然后进行实际操作和测试。
实验的目的通常是为了验证某些特定的功能或者算法。在实验中，开发者可以使用单片机开发板来实现对输入信号的检测、处理和输出控制。例如，可以编写程序使单片机控制LED灯的亮灭，或者读取按键输入并根据按键的不同进行不同的控制。实验程序可以是一个简单的循环处理，也可以是复杂的算法实现，如数据通信、中断处理、定时器使用等。
在编写单片机实验程序时，首先需要了解所使用的单片机的指令集和硬件资源。以常用的8051单片机为例，需要熟悉其寄存器配置、特殊功能寄存器（SFR）的使用以及I/O口操作等。编写程序时，通常会使用C语言或者汇编语言。C语言因其可读性好、编写效率高而更受欢迎。开发者可以使用Keil uVision、IAR Embedded Workbench等集成开发环境（IDE）来编写、编译和调试代码。
在程序调试阶段，可以通过开发板上的调试接口，如JTAG、ISP等，将编译好的程序下载到单片机中。调试过程通常包括设置断点、单步执行、查看寄存器和内存内容等操作。通过调试可以发现并修正程序中的逻辑错误或硬件交互问题。
另外，为了保证程序的可靠性和稳定性，实验程序设计时还应考虑异常处理、资源管理以及功耗优化等因素。编写高效的单片机程序不仅仅是让程序按预期运行，还要考虑到程序运行的效率、资源消耗以及对异常情况的应对。
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3. “20081201”很可能是该工具发布的日期，表明这是2008年12月1日发布的版本。了解发布日期对于选择合适版本的工具至关重要，因为不同日期的版本可能针对不同的硬件或固件版本进行了优化。
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