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.

Рис. 14.1. Результат заполнения полей объединения

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