3. СТРУКТУРИРОВАННЫЕ ТИПЫ ДАННЫХ языка Си

Привет, сегодня поговорим про структурированные типы данных языка си, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое структурированные типы данных языка си , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Алгоритмизация и программирование. Структурное программирование. Язык C.

Массивы

Массив состоит из элементов одного и того же типа. Ко всему массиву целиком можно обращаться по имени. Кроме того, можно выбирать любой элемент массива. Для этого необходимо задать индекс, который указывает на его относительную позицию. Число элементов массива назначается при его определении и в дальнейшем не изменяется. Если массив объявлен, то к любому его элементу можно обратиться следующим образом: указать имя массива и индекс элемента в квадратных скобках. Массивы определяются так же, как и переменные:

     int a[100];
     char b[20];
     float d[50];

В первой строке объявлен массив а из 100 элементов целого типа: а[0], а[1], ..., а[99] (индексация всегда начинается с нуля). Во второй строке элементы массива b имеют тип char, а в третьей - float.

Двумерный массив представляется как одномерный, элементами которого так же являются массивы. Например, определение char а[10][20]; задает такой массив. По аналогии можно установить и большее число измерений. Элементы двумерного массива хранятся по строкам, т.е. если проходить по ним в порядке их расположения в памяти, то быстрее всего изменяется самый правый индекс. Например, обращение к девятому элементу пятой строки запишется так: а[5][9].

Пусть задан массив:

     int a[2][3]; 

Тогда элементы массива а будут размещаться в памяти следующим образом: a[0][0], a[0][1], a[0][2], a[1][0], a[1][1], a[1][2].

Имя массива - это константа, которая содержит адрес его первого элемента (в данном примере а содержит адрес элемента а[0][0]). Предположим, что a = 1000. Тогда адрес элемента а[0][1] будет равен 1002 (элемент типа int занимает в памяти 2 байта), адрес следующего элемента а[0][2] - 1004 и т.д. Что же произойдет, если выбрать элемент, для которого не выделена память? К сожалению, компилятор не отслеживает данной ситуации. В результате возникнет ошибка и программа будет работать неправильно.

В языке Си существует сильная взаимосвязь между указателями и массивами. Любое действие, которое достигается индексированием массива, можно выполнить и с помощью указателей, причем последний вариант будет работать быстрее.

Определение

     int a[5]; 

задает массив из пяти элементов а[0], a[1], a[2], a[3], a[4]. Если объект *у определен как

     int *у; 

то оператор у = &a[0]; присваивает переменной у адрес элемента а[0]. Если переменная у указывает на очередной элемент массива а, то y+1 указывает на следующий элемент, причем здесь выполняется соответствующее масштабирование для приращения адреса с учетом длины объекта (для типа int - 2 байта, long - 4 байта, double - 8 байт и т.д.).

Так как само имя массива есть адрес его нулевого элемента, то оператор у = &a[0]; можно записать и в другом виде: у = а. Тогда элемент а[1] можно представить как *(а+1). С другой стороны, если у - указатель на массив a, то следующие две записи: a[i] и *(у+i) - эквивалентны.

Между именем массива и соответствующим указателем есть одно важное различие. Указатель - это переменная и у = а; или y++; - допустимые операции. Имя же массива - константа, поэтому конструкции вида a = y; a++; использовать нельзя, так как значение константы постоянно и не может быть изменено.

Переменные с адресами могут образовывать некоторую иерархическую структуру (могут быть многоуровневыми) типа указатель на указатель (т.е. значение указателя является адресом другого указателя), указатель на указатель на указатель и т.д. Если указатели адресуют элементы одного массива, то их можно сравнивать (отношения вида <, >, = =, != и другие работают правильно). В то же время нельзя сравнивать ли6о использовать в арифметических операциях указатели на разные массивы (соответствующие выражения не приводят к ошибкам при компиляции, но в большинстве случаев не имеют смысла). Любой адрес можно проверить на равенство или неравенство с константой NULL. Указатели на элементы одного массива можно также вычитать. Тогда результатом будет число элементов массива, расположенных между уменьшаемым и вычитаемым объектами.

Язык Си позволяет инициализировать массив при его определении. Для этого используется следующая форма:

     тип имя_массива[...] ... [...] = {список значений};

Примеры:

     int a[5] = {0, 1, 2, 3, 4};
     char ch[3] = {'d', 'e', '9'};
     int b[2][3] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

В последнем случае: b[0][0] = 1, b[0][1] = 2, b[0][2] = 3, b[1][0] = 4, b[1][1] = 5, b[1][2] = 6.

В языке допускаются массивы указателей, которые определяются, например, следующим образом: char *m[5];. Здесь m[5] - массив, содержащий адреса элементов типа char.

 

Строки символов

Язык Си не поддерживает отдельный строковый тип данных, но он позволяет определить строки двумя различными способами. В первом используется массив символов, а во втором - указатель на первый символ массива.

Определение char а[10]; указывает компилятору на необходимость резервирования места для максимум 10 символов. Константа а содержит адрес ячейки памяти, в которой помещено значение первого из десяти объектов типа char. Процедуры, связанные с занесением конкретной строки в массив а, копируют ее по одному символу в область памяти, на которую указывает константа а, до тех пор, пока не будет скопирован нулевой символ, оканчивающий строку. Когда выполняется функция типа printf("%s", а), ей передается значение а, т.е. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . адрес первого символа, на который указывает а. Если первый символ - нулевой, то работа функции printf() заканчивается, а если нет, то она выводит его на экран, прибавляет к адресу единицу и снова начинает проверку на нулевой символ. Такая обработка позволяет снять ограничения на длину строки (конечно, в пределах объявленной размерности): строка может иметь любую длину, но в пределах доступной памяти.

Инициализировать строку при таком способе определения можно следующим образом:

     char array[7] = "Строка";
     char s[ ] = {'С', 'т', 'р', 'о', 'к', 'а', '\0'};

(при определении массива с одновременной инициализацией пределы изменения индекса можно не указывать).

Второй способ определения строки - это использование указателя на символ. Определение char *b; задает переменную b, которая может содержать адрес некоторого объекта. Однако в данном случае компилятор не резервирует место для хранения символов и не инициализирует переменную b конкретным значением. Когда компилятор встречает оператор вида b ="IBM PC";, он производит следующие действия. Во-первых, как и в предыдущем случае, он создает в каком-либо месте объектного модуля строку "IBM PC", за которой следует нулевой символ ('\0'). Во-вторых, он присваивает значение начального адреса этой строки (адрес символа 'I') переменной b. Функция printf("%s", b) работает так же, как и в предыдущем случае, осуществляя вывод символов до тех пор, пока не встретится заключительный нуль.

Массив указателей можно инициализировать, т.е. назначать его элементам конкретные адреса некоторых заданных строк при определении.

Для ввода и вывода строк символов помимо scanf( ) и printf() могут использоваться функции gets( ) и puts( ) (их прототипы находятся в файле stdio.h).

Если string - массив символов, то ввести строку с клавиатуры можно так:

     gets(string);

(ввод оканчивается нажатием клавиши <Enter>). Вывести строку на экран можно следующим образом:

     puts(string);

Отметим также, что для работы со строками существует специальная библиотека функций, прототипы которых находятся в файле string.h.

Наиболее часто используются функции strcpy( ), strcat( ), strlen( ) и strcmp( ).

Если string1 и string2 - массивы символов, то вызов функции strcpy( ) имеет вид:

     strcpy(string1, string2);

Эта функция служит для копирования содержимого строки string2 в строку string1. Массив string1 должен быть достаточно большим, чтобы в него поместилась строка string2. Так как компилятор не отслеживает этой ситуации, то недостаток места приведет к потере данных.

Вызов функции strcat( ) имеет вид:

     strcat(string1, string2);

Эта функция присоединяет строку string2 к строке string1 и помещает ее в массив, где находилась строка string1, при этом строка string2 не изменяется. Нулевой байт, который завершал первую строку, заменяется первым байтом второй строки.

Функция strlen( ) возвращает длину строки, при этом завершающий нулевой байт не учитывается. Если a - целое, то вызов функции имеет вид:

     a = strlen(string);

Функция strcmp( ) сравнивает две строки и возвращает 0, если они равны.

 

Структуры

Структура - это объединение одного или нескольких объектов (переменных, массивов, указателей, других структур и т.д.). Как и массив, она представляет собой совокупность данных. Отличием является то, что к ее элементам необходимо обращаться по имени и что различные элементы структуры не обязательно должны принадлежать одному типу.

Объявление структуры осуществляется с помощью ключевого слова struct, за которым идет ее тип и далее список элементов, заключенных в фигурные скобки:

     struct тип { тип элемента_1 имя элемента_1; 
                    .........
                  тип элемента_n имя элемента_n;
                };

Именем элемента может быть любой идентификатор. Как и выше, в одной строке можно записывать через запятую несколько идентификаторов одного типа.

Рассмотрим пример:

     sruct date { int day; 
                  int month;
                  int year;
                }; 

Следом за фигурной скобкой, заканчивающей список элементов, могут записываться переменные данного типа, например:

     struct date {...} a, b, c; 

(при этом выделяется соответствующая память). Описание без последующего списка не выделяет никакой памяти; оно просто задает форму структуры. Введенное имя типа позже можно использовать для объявления структуры, например:

     struct date days;

Теперь переменная days имеет тип date.

При необходимости структуры можно инициализировать, помещая вслед за описанием список начальных значений элементов.

Разрешается вкладывать структуры друг в друга, например:

     struct man { char name[20], fam[20];
                  struct date bd;
                  int age;
                }; 

Определенный выше тип data включает три элемента: day, month, year, содержащий целые значения (int). Структура man включает элементы name, fam, bd и voz. Первые два - name[20] и fam[20] - это символьные массивы из 20 элементов каждый. Переменная bd представлена составным элементом (вложенной структурой) типа data. Элемент age содержит значения целого типа int). Теперь можно определить переменные, значения которых принадлежат введенному типу:

     struct man man_[100]; 

Здесь определен массив man_, состоящий из 100 структур типа man.

Чтобы обратиться к отдельному элементу структуры, необходимо указать его имя, поставить точку и сразу же за ней записать имя нужного элемента, например:

     man_[j].age = 19; 
     man_[j].bd.day = 24;
     man_[j].bd.month = 2
     man_[j].bd.year = 1987; 

При работе со структурами необходимо помнить, что тип элемента определяется соответствующей строкой описания в фигурных скобках. Например, массив man_ имеет тип man, year является целым числом и т.п. Поскольку каждый элемент структуры относится к определенному типу, его имя может появиться везде, где разрешено использование значений этого типа. Допускаются конструкции вида man_[i]=man_[j]; где man_[i] и man_[j] - объекты, соответствующие единому описанию структуры. Другими словами, разрешается присваивать одну структуру другой по их именам.

Унарная операция & позволяет взять адрес структуры. Предположим, что определена переменная day:

     struct date {int d, m, у;} day; 

Здесь day - это структура типа date, включающая три элемента: d, m, у. Другое определение

     struct date *db; 

устанавливает тот факт, что db - это указатель на структуру типа date.

Запишем выражение:

     db = &day; 

В этом случае для выбора элементов d, m, у структуры необходимо использовать конструкции:

     (*db).d; (*db).m; (*db).y; 

Действительно, db - это адрес структуры, *db - сама структура. Круглые скобки здесь необходимы, так как точка имеет более высокий, чем звездочка, приоритет. Для аналогичных целей в языке Си предусмотрена специальная операция ->. Эта операция выбирает элемент структуры и позволяет представить рассмотренные выше конструкции в более простом виде:

     db -> d; db -> m; db -> у; 

 

Оператор typedef

Рассмотрим описание структуры:

     struct data {int d, m, у;}; 

Здесь фактически вводится новый тип данных - data. Теперь его можно использовать для объявления конкретных экземпляров структуры, например:

     struct data а, b, с; 

В язык Си введено специальное средство, позволяющее назначать имена типам данных (переименовывать). Таким средством является оператор typedef. Он записывается в следующем виде:

     typedef тип имя; 

Здесь "тип" - любой разрешенный тип данных и "имя" - любой разрешенный идентификатор.

Рассмотрим пример:

     typedef int INTEGER; 

После этого можно сделать объявление:

     INTEGER а, b; 

Оно будет выполнять то же самое, что и привычное объявление int a,b;. Другими словами, INTEGER можно использовать как синоним ключевого слова int.

 

Битовые поля

Особую разновидность структур представляют собой битовые поля. Битовое поле - это последовательность соседних битов внутри одного, целого значения. Оно может иметь тип signed int или unsigned int и занимать от 1 до 16 битов. Поля размещаются в машинном слове в направлении от младших к старшим разрядам. Например, структура:

     struct prim { int a:2; 
                   unsigned b:3; 
                   int c:5; 
                   int d:1; 
                   unsigned d:5; } i, j; 

обеспечивает размещение данных в двух байтах (в одном слове). Если бы последнее поле было задано так: unsigned d:6, то оно размещалось бы не в первом слове, а в разрядах 0 - 5 второго слова.

В полях типа signed крайний левый бит является знаковым.

Поля используются для упаковки значений нескольких переменных в одно машинное слово с целью экономии памяти. Они не могут быть массивами и не имеют адресов, поэтому к ним нельзя применять унарную операцию &.

 

Объединение (union)

Объединение - это некоторая переменная, которая может хранить (в разное время) объекты различного типа и размера. В результате появляется возможность работы в одной и той же области памяти с данными различного вида. Для описания объединения используется ключевое слово union, а соответствующий синтаксис аналогичен структурам.

Пусть задано определение:

     union r {int ir; float fr; char cr;} z; 

Здесь ir имеет размер 2 байта, fr - 4 байта, cr - 1 байт. Размер переменной z будет равен размеру самого большого из трех приведенных типов (т.е. 4 байтам). В один и тот же момент времени z может иметь значение только одной из переменных ir, fr или cr.

 

Перечислимый тип данных

Перечислимый тип данных предназначен для описания объектов из некоторого заданного множества. Он задается ключевым словом enum. Рассморим пример:

     enum seasons (spring, summer, autumn, winter); 

Здесь введен новый тип данных seasons. Теперь можно определить переменные этого типа:

     enum seasons а, b, с; 

Каждая из них (а, b, c) может принимать одно из четырех значений: spring, summer, autumn и winter. Эти переменные можно было определить сразу при описании типа:

     enum seasons (spring, summer, autumn, winter) a, b, с; 

Рассмотрим еще один пример:

     enum days {mon, tues, wed, thur, fri, sat, sun} my_week; 

Имена, занесенные в days (также как и в seasons в предыдущем примере), представляют собой константы целого типа. Первая из них (mon) автоматически устанавливается в нуль, и каждая следующая имеет значение на единицу больше, чем предыдущая (tues=1, wed=2 и т.д.).

Можно присвоить константам определенные значения целого типа (именам, не имеющим их, будут, как и раньше, назначены значения предыдущих констант, увеличенные на единицу). Например:

     enum days (man=5, tues=8, wed=10, thur, fri, sat, sun} my_week;

После этого mon=5, tues=8,wed=10, thur=11, fri=12, sat=13, sun=14.

Тип enum можно использовать для задания констант true=1 и false=0, например:

     enum t_f (false, true) а, b; 

На этом все! Теперь вы знаете все про структурированные типы данных языка си, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое структурированные типы данных языка си и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Алгоритмизация и программирование. Структурное программирование. Язык C