Лекции по C/C++: составные типы данных (перечисления, объединения, структуры структур)

Вторым стандартным составным типом данных является перечисление. Перечисление определяет список целочисленных значений, которые может принимать переменная и позволяет присвоить этим значениям "названия". Например, определим именованное перечисление mode ("режим работы" чего-то в программе) и укажем его возможные состояния:

enum mode { LAZY, WAIT, BUZY, ERROR };

Теперь в программе можно создать переменную, имеющую тип перечисления mode и использовать её:

mode mymode = LAZY;
//...
switch (mymode) {
 case LAZY: /* ... */ break;
 case WAIT: /* ... */ break;
 /* ... */
}

Здесь "читабельные" значения WAIT или BUZY напомнят о том, какую информацию сейчас хранит переменная, гораздо лучше, чем безликие числовые значения 1 или 2.

Все константы перечисления должны быть допустимыми идентификаторами С++, обычно, как и для других констант, имена пишут БОЛЬШИМИ буквами (это соглашение, а не правило языка).

Тип enum, как правило, интерпретируется компилятором как int (или unsigned), первый элемент списка по умолчанию равен 0, если не указано иного.

Основное применение перечислений – удобные мнемонические имена для переменных, имеющих фиксированный набор значений, таких, как цвета для рисования, дни недели, месяцы или сезоны года, состояния автомата, социальные статусы человека и т.д.

Основные недостатки перечислений - отсутствие встроенных средств для вывода строковых значений констант перечисления, а также не всегда очевидная итерация по членам перечисления.

Приведём пример:

enum day { 
 SATURDAY, SUNDAY=0, MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY 
}; //SATURDAY также =0!
day today = SATURDAY; 
cout << today << endl; //0
//today++; //ошибка компиляции – к типу неприменимо ++
today = FRIDAY;
cout << today << endl; //5
int workday = SATURDAY;
for (int i=0; i<7; i++) {
 cout << workday++ << " ";
 //теперь ++ работает, но напечатается 0 1 ... 6
}

Наконец, к составным типам данных можно отнести и объединение (union), позволяющее интерпретировать один и тот же объект (одну и ту же память) как данные различных типов:

union uchar {
 char c[2];
 unsigned short int u;
};

Здесь элемент типа uchar, в зависимости от того, для чего он нам нужен, может быть интерпретирован и как массив из двух символов типа char, и как беззнаковое целое 2-байтовое значение:

cout << sizeof(uchar) << endl; //2
uchar n; 
n.u=0x6121;
cout << n.c[0] << n.c[1] << endl; //!a
cout << n.u << endl; //24865

Контроль за соответствием размерности полей в union возлагается на программиста, следует учитывать, что компилятор может выравнивать данные на границу слова или двойного слова.

Нечасто используемой в прикладном программировании, но полезной возможностью структур являются битовые поля. Они позволяют "упаковать" поле структуры в указанное количество битов вместо байтов:

тип идентификатор: константное_выражение;

Целочисленное константное_выражение, записанное после двоеточия, определяет число битов, выделяемых под переменную.

Указанный в шаблоне идентификатор необязателен. Неименованное битовое поле означает пропуск указанного числа битов перед размещением следующего элемента структуры. Неименованное битовое поле, для которого указан размер 0, имеет специальное назначение: оно гарантирует, что память для следующей переменной в этой структуре будет начинаться на границе машинного слова (размер машинного слова зависит от архитектуры ЭВМ и обычно равен разрядности регистров процессора). Это относится и к следующему битовому полю.

Битовое поле не может выходить за границу ячейки памяти объявленного для него типа. Например, битовое поле unsigned int либо упаковывается в пространство, оставшееся в текущей ячейке размерностью sizeof(unsigned int)*8 битов от размещения предыдущего битового поля, либо, если предыдущий элемент структуры не был битовым полем или памяти в текущей ячейке недостаточно, в новую ячейку unsigned int.

На практике битовые поля используются обычно в двух целях:

• для экономии памяти, поскольку позволяют плотно упаковать значения не по границам байтов;
• в системном программировании, например, для организации удобного доступа к регистрам внешних устройств, в которых различные биты могут иметь самостоятельное функциональное назначение, при доступе к элементам файловых таблиц и т.п.

В качестве примера покажем структуру, описывающую отдельную позицию экрана текстовой консоли и дающую возможность доступа к отдельным свойствам экранной позиции через битовые поля.

struct texel {
 int background: 8; //фон
 int color: 4; //цвет
 int underline: 1; //подчёркивание
 int blink: 1; //мерцание
};
union bits {
 texel t;
 int d;
};

Объединение bits позволит манипулировать со структурой как с обычным целым числом, в частности, выводить его на экран консоли в виде цепочки бит. Для работы показанного ниже кода нужно подключить стандартное пространство имён и библиотеку bitset:

#include <bitset>
using namespace std;

Класс bitset, доступный в современных стандартах C++, удобен для решения задач, связанных с манипулированием отдельными битами или с булевой алгеброй.

texel t;
 cout << "Size of texel = "  << sizeof(texel) << " byte(s)" << endl;
 cout << "Size of bits = " << sizeof(bits) << " byte(s)" << endl;
 t.background = 0xFF;
 t.color = 0;
 t.underline = 1;
 t.blink = 0;
 bits b; b.t = t;
 cout << "T=" << hex << b.d << " (hex)" << endl; 
 сout << "T=" << bitset<sizeof(b.d)*8>(b.d) << " (bin)" << endl;

Вывод этой программы на 32-разрядном компьютере получился таким:

Size of texel = 4 byte(s)
Size of bits = 4 byte(s)
T=ccccd0ff (hex)
T=11001100110011001101000011111111 (bin)

Обратите внимание, что неиспользуемые в структуре биты могут оказаться заполненными "мусором".

В качестве законченного примера и "ступенчатого" моделирования структур, включающих в себя другие структурные типы, можно разобрать вот эту задачу.

 Оглавление серии

29.11.2015, 00:14 [6901 просмотр]