Объединения и перечислимые типы в языке С

Теоретическая часть

14.1. Объединения

Объединение ( union ) – это тип, который позволяет хранить различные типы данных в одном и том же пространстве памяти (но не одновременно)[14.1].

Объединения образуются во многом подобно структурам. Существуют шаблоны объединений и переменные типа объединения. Они могут быть определены с помощью одного или двух действий, причем в последнем случае используется дескриптор объединения [14.1].

Пример шаблона объединения с дескриптором hold:

union hold {
int digit;
double bigf;
char letter;
};

Объединение может хранить значение типа int, или double, или char. Структура с такими же полями способна хранить все типы одновременно. Пример определения трех переменных объединения:

union hold fit;     // переменная объединения типа hold
union hold save[10];// массив из 10 переменных объединения
union hold *ptr;    // указатель на переменную типа hold

Первое объявление создает единственную переменную fit. Компилятор выделяет пространство памяти, достаточное для того, чтобы хранить наибольшую из описанных вариантов, а именно тип double, который требует для себя обычно 8 байт. Второе объявление save[10] создает массив с 10 элементами, каждый из которых имеет размер в 8 байт. Третье объявление создает указа-тель, который может содержать адрес объединения hold.

Рассмотрим варианты инициализации объединения [14.1]:

union hold valA;// создали переменную valA по шаблону union hold
valA.letter = 'R';
union hold valB = valB;// инициализация одного объединения другим
union hold valC = {88};// инициализация числового элемента

Рассмотрим варианты использования объединения:

union hold fit;  
fit.digit = 23;  // Число 23 хранится в переменной fit, 2 байта
fit.bigf = 6.78; // Число 23 затерто, хранится 6.78, 8 байтов
fit.letter = 'h';// Число 6.78 затерто, хранится символ h,1 байт

Операция точки показывает, какой тип данных используется в текущий момент [14.1]. За один раз запоминается только одно значение. Нельзя одновременно хранить значение типа char и значение типа int, даже если для этого имеется достаточно пространства (памяти для 8 байт). Следить за тем, какие значения на текущий момент хранятся в объединении, входит в обязанности программиста. Бывает, что на различных этапах выполнения программы одни переменные могут быть не нужны, в то время как другие, наоборот, используются только в текущей части программы, поэтому объединения экономят пространство, вместо того чтобы впустую тратить память на не использующиеся в данный момент переменные.

При инициализации полей объединения вместо операции точки можно использовать операцию стрелки, если используется указатель на объединение. В частности, для рассмотренных примеров:

int x;
ptr = fit;
x = ptr->digit;

В содержимом объединения (в качестве инициализаторов) могут быть структуры. При этом по правилам использования объединения обращаться можно будет только к одной из структур.

Фактически объединение является структурой, в которой все элементы имеют нулевое смещение от ее начала. Она имеет достаточную длину, чтобы в нее поместился самый длинный элемент, и при этом выравнивание выполняется правильно для всех типов данных в объединении [14.2]. Над объединениями разрешено выполнять те же операции, что и над структурами: присваивать или копировать как единое целое, брать адрес и обращаться к отдельным элементам.

Объединения могут употребляться в структурах и массивах и наоборот. Способ обращения к члену объединения в структуре (или к члену структуры в объединении) полностью идентичен обращению к элементу вложенной структуры. Объединение можно инициализировать только данными того типа, который имеет его первый элемент [14.2].

Смысловое отличие объединения от структуры состоит в том, что записать информацию в объединение можно с помощью одного из его элементов, а выбрать данные из того участка памяти можно с помощью другого элемента того же объединения [14.3].

К объединениям может быть применен оператор typedef, после чего можно вводить обозначения объединяющих типов, не требующие применения служебного слова union. Рассмотрим пример:

typedef union data
{
char str[79+1];
int  a;
double x;
} new_data;

Определения новых переменных (например, student1, student2 ) объединений будут выглядеть таким образом:

new_data student1, student2;

Объединения не относятся ни к скалярным данным, ни к данным агрегирующих типов [14.3].

Объединения не могут сравниваться операциями "==" и "!=" по тем же самым причинам, что и структуры, поскольку элементы объединения не обязательно хранятся в последовательных байтах памяти.

Объединения часто используются для специального преобразования типов, поскольку к хранящимся в объединении данным можно обращаться разными способами [14.4].

14.2. Перечислимые типы

Перечислимый (enumerated) и тип служит для объявления символических имен, представляющих целочисленные константы [14.1].

Можно сказать, что enumerated type (перечислимый тип) – это тип данных, заданных списком принадлежащих ему значений.

Назначение перечислимых типов заключается в том, чтобы повысить удобочитаемость программы [14.1]. Синтаксис в этом случае аналогичен синтаксису, который используется для описания структур.

Примеры объявления перечислимого типа:

enum spectrum {red, orange, yellow, green, blue, violet};
enum spectrum color;

Первое объявление устанавливает spectrum как имя дескриптора, который позволяет использовать enum spectrum в качестве имени типа. Второе объявление делает color переменной этого типа. Идентификаторы, заключенные в фигурные скобки, перечисляют возможные значения, которые может принимать переменная spectrum. Соответственно, возможными значениями color являются red, orange, yellow и т. д. Но эти возможные значения являются целочисленными, т.е. 0, 1, 2, 3, 4, 5. Другими словами, значения в enum начинаются с 0, если не задано иное число, и всегда увеличиваются на 1.

В общем случае перечислимые константы имеют тип int, но перечислимые переменные не так жестко привязаны к целочисленному типу данных, поскольку этот тип может содержать перечислимые константы. Например, перечислимые константы переменной spectrum имеют диапазон 0 ... 5 (как в массиве), поэтому компилятор может выбрать тип unsigned char для представления переменной color.

В языке программирования С к перечислимой переменной можно применять операции инкрементирования "++" и декрементирования "––". Например,

for (color = red;  color <= violet; ++color)
...;

По умолчанию константам в перечислимом списке присваиваются целые значения 0, 1, 2 и так далее. В то же время возможны и присваиваемые значения, например:

enum levels {low = 100, medium = 500, high = 2000};

Если назначить конкретное значение одной из констант, то все следующие константы будут пронумерованы последовательно в возрастающем порядке, например:

enum feline {cat, lynx = 10, puma, tiger};

В этом случае cat (кошка) получает значение 0 по умолчанию, lynx (рысь), puma (пума), tiger (тигр), соответственно, получают значения 10, 11, 12.

Перечисления особенно полезны там, где не требуется преобразования значений (целого типа) в имена (массив символов). В частности, перечисления часто используются в компиляторах для создания таблицы соответствия символов [14.4].

Практическая часть

Пример 1. Для переменной типа объединения предусмотрите ввод, и вывод элементов ее полей.

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <string.h>
#define N 79

union hold 
	{
	char str[N+1];
	double bigf;
	char ch;
	int digit;
	};

int main (void)
 {
	double D2;
int i = 0, digit2;
char str2[80], ch2;

	union hold fit, *PTR = fit;
	//PTR = fit; // вариант взятия адреса

printf("\n\t Fields of the \"union\":\n \
1) string, 2) double, 3) character, 4) integer\n");	
   
 	do {
	printf("\n Enter %d field of the \"union\": ", i+1);
_flushall();		
		if (i == 0)
     {
gets_s(str2, N);

strcpy_s(PTR->str, strlen(str2) + 1, str2);
printf(" The first field: %s\n", PTR->str);
i++; }
		else if (i == 1) 
     {
			scanf_s("%lf", D2);
printf(" The second field: %1.4f\n", PTR->bigf = D2);
i++; }
		else if (i == 2) 
     {
			scanf_s("%c", ch2);
printf(" The third field: %c\n", PTR->ch = ch2);
i++; }
		else
     {
		scanf_s("%d", digit2);
printf(" The fourth field: %d\n", PTR->digit = digit2);
i++; }
	    } while (i < 4);
	
printf("\n 1 field: %s\n 2 field: %1.4f\n \
3 field: %c\n 4 field: %d\n", \
PTR->str, PTR->bigf, PTR->ch, PTR->digit);

printf("\n Press any key: ");
	_getch();
	return 0; 
}

Результат выполнения программы показан на рис 14.1.

Как видно из результата выполнения программы, заполнение четырех полей объединения возможно поочередно. После "прохода" всех полей строчные поля не сохранились.