Структуры и их использование c. Структуры. Коментарии по коду программы

Структуры

Как вам должно быть уже известно, классы относятся к ссылочным типам данных. Это означает, что объекты конкретного класса доступны по ссылке, в отличие от значений простых типов, доступных непосредственно. Но иногда прямой доступ к объектам как к значениям простых типов оказывается полезно иметь, например, ради повышения эффективности программы. Ведь каждый доступ к объектам (даже самым мелким) по ссылке связан с дополнительными издержками на расход вычислительных ресурсов и оперативной памяти.

Для разрешения подобных затруднений в C# предусмотрена структура , которая подобна классу, но относится к типу значения, а не к ссылочному типу данных. Т.е. структуры отличаются от классов тем, как они сохраняются в памяти и как к ним осуществляется доступ (классы - это ссылочные типы, размещаемые в куче, структуры - типы значений, размещаемые в стеке), а также некоторыми свойствами (например, структуры не поддерживают наследование). Из соображений производительности вы будете использовать структуры для небольших типов данных. Однако в отношении синтаксиса структуры очень похожи на классы.

Главное отличие состоит в том, что при их объявлении используется ключевое слово struct вместо class. Ниже приведена общая форма объявления структуры:

struct имя: интерфейсы { // объявления членов }

где имя обозначает конкретное имя структуры.

Как и у классов, у каждой структуры имеются свои члены: методы, поля, индексаторы, свойства, операторные методы и события. В структурах допускается также определять конструкторы, но не деструкторы. В то же время для структуры нельзя определить конструктор, используемый по умолчанию (т.е. конструктор без параметров). Дело в том, что конструктор, вызываемый по умолчанию, определяется для всех структур автоматически и не подлежит изменению. Такой конструктор инициализирует поля структуры значениями, задаваемыми по умолчанию. А поскольку структуры не поддерживают наследование, то их члены нельзя указывать как abstract, virtual или protected.

Объект структуры может быть создан с помощью оператора new таким же образом, как и объект класса, но в этом нет особой необходимости. Ведь когда используется оператор new, то вызывается конструктор, используемый по умолчанию. А когда этот оператор не используется, объект по-прежнему создается, хотя и не инициализируется. В этом случае инициализацию любых членов структуры придется выполнить вручную.

Давайте рассмотрим пример использования структур:

Using System; namespace ConsoleApplication1 { // Создадим структуру struct UserInfo { public string Name; public byte Age; public UserInfo(string Name, byte Age) { this.Name = Name; this.Age = Age; } public void WriteUserInfo() { Console.WriteLine("Имя: {0}, возраст: {1}",Name,Age); } } class Program { static void Main() { UserInfo user1 = new UserInfo("Alexandr", 26); Console.Write("user1: "); user1.WriteUserInfo(); UserInfo user2 = new UserInfo("Elena",22); Console.Write("user2: "); user2.WriteUserInfo(); // Показать главное отличие структур от классов user1 = user2; user2.Name = "Natalya"; user2.Age = 25; Console.Write("\nuser1: "); user1.WriteUserInfo(); Console.Write("user2: "); user2.WriteUserInfo(); Console.ReadLine(); } } }

Обратите внимание, когда одна структура присваивается другой, создается копия ее объекта. В этом заключается одно из главных отличий структуры от класса. Когда ссылка на один класс присваивается ссылке на другой класс, в итоге ссылка в левой части оператора присваивания указывает на тот же самый объект, что и ссылка в правой его части. А когда переменная одной структуры присваивается переменной другой структуры, создается копия объекта структуры из правой части оператора присваивания.

Поэтому, если бы в предыдущем примере использовался класс UserInfo вместо структуры, получился бы следующий результат:

Назначение структур

В связи с изложенным выше возникает резонный вопрос: зачем в C# включена структура, если она обладает более скромными возможностями, чем класс? Ответ на этот вопрос заключается в повышении эффективности и производительности программ. Структуры относятся к типам значений, и поэтому ими можно оперировать непосредственно, а не по ссылке. Следовательно, для работы со структурой вообще не требуется переменная ссылочного типа, а это означает в ряде случаев существенную экономию оперативной памяти.

Недавно познакомился со структурами C/C++ - struct. Господи, да «что же с ними знакомиться» скажете вы? Тем самым вы допустите сразу 2 ошибки: во-первых я не Господи, а во вторых я тоже думал что структуры - они и в Африке структуры. А вот как оказалось и - нет. Я расскажу о нескольких жизненно-важных подробностях, которые кого-нибудь из читателей избавят от часовой отладки…

Выравнивание полей в памяти

Обратите внимание на структуру:

Struct Foo { char ch; int value; };
Ну во-первых какой у этой структуры размер в памяти? sizeof(Foo) ?
Размер этой структуры в памяти зависит от настроек компилятора и от директив в вашем коде…

В общем выравниваются в памяти поля по границе кратной своему же размеру. То есть 1-байтовые поля не выравниваются, 2-байтовые - выравниваются на чётные позиции, 4-байтовые - на позиции кратные четырём и т.д. В большинстве случаев (или просто предположим что сегодня это так) выравнивание размера структуры в памяти составляет 4 байта. Таким образом, sizeof(Foo) == 8 . Где и как прилепятся лишние 3 байта? Если вы не знаете - ни за что не угадаете…

• 1 байт: ch
• 2 байт: пусто
• 3 байт: пусто
• 4 байт: пусто
• 5 байт: value
• 6 байт: value
• 7 байт: value
• 8 байт: value

Посмотрим теперь размещение в памяти следующей структуры:

Struct Foo { char ch; short id; int value; };
Оно выглядит вот так:

• 1 байт: ch
• 2 байт: пусто
• 3 байт: id
• 4 байт: id
• 5 байт: value
• 6 байт: value
• 7 байт: value
• 8 байт: value

То есть, то что можно впихнуть до выравнивания по 4 байта - впихивается на ура (без увеличения размера структуры в памяти), добавим ещё одно поле:

Struct Foo { char ch; short id; short opt; int value; };
Посмотрим на размещение полей в памяти:

• 1 байт: ch
• 2 байт: пусто
• 3 байт: id
• 4 байт: id
• 5 байт: opt
• 6 байт: opt
• 7 байт: пусто
• 8 байт: пусто
• 9 байт: value
• 10 байт: value
• 11 байт: value
• 12 байт: value

Всё это ой как печально, но есть способ бороться с этим прямо из кода:

#pragma pack(push, 1) struct Foo { // ... }; #pragma pack(pop)
Мы установили размер выравнивания в 1 байт, описали структуру и вернули предыдущую настройку. Возвращать предыдущую настройку - категорически рекомендую. Иначе всё может закончиться очень плачевно. У меня один раз такое было - падало Qt. Где-то заинклюдил их.h-ник ниже своего.h-ника…

Битовые поля

В комментариях мне указали на то, что битовые поля в структурах по стандарту являются «implementation defined» - потому их использования лучше избежать, но для меня соблазн слишком велик...

Мне становится не то что неспокойно на душе, а вообще становится хреново, когда я вижу в коде заполнение битовых полей при помощи масок и сдвигов, например так:

Unsigned field = 0x00530000; // ... field &= 0xFFFF00FF; field |= (id) << 8; // ... field &= 0xFFFFFF83; field |= (proto) << 2;
Всё это пахнет такой печалью и такими ошибками и их отладкой, что у меня сразу же начинается мигрень! И тут из-за кулис выходят они - Битовые Поля. Что самое удивительное - были они ещё в языке C, но кого ни спрашиваю - все в первый раз о них слышат. Этот беспредел надо исправлять. Теперь буду давать им всем ссылку, ну или хотя бы ссылку на эту статью.

Как вам такой кусок кода:

#pragma pack(push,1) struct IpHeader { uint8_t header_length:4; uint8_t version:4; uint8_t type_of_service; uint16_t total_length; uint16_t identificator; // Flags uint8_t _reserved:1; uint8_t dont_fragment:1; uint8_t more_fragments:1; uint8_t fragment_offset_part1:5; uint8_t fragment_offset_part2; uint8_t time_to_live; uint8_t protocol; uint16_t checksum; // ... }; #pragma pack(pop)
А дальше в коде мы можем работать с полями как и всегда работаем с полями в C/C++. Всю работу по сдвигам и т.д. берет на себя компилятор. Конечно же есть некоторые ограничения… Когда вы перечисляете несколько битовых полей подряд, относящихся к одному физическому полю (я имею ввиду тип который стоит слева от имени битового поля) - указывайте имена для всех битов до конца поля, иначе доступа к этим битам у вас не будет, иными словами кодом:

#pragma pack(push,1) stuct MyBitStruct { uint16_t a:4; uint16_t b:4; uint16_t c; }; #pragma pack(pop)
Получилась структура на 4 байта! Две половины первого байта - это поля a и b . Второй байт не доступен по имени и последние 2 байта доступны по имени c . Это очень опасный момент. После того как описали структуру с битовыми полями обязательно проверьте её sizeof !

Также порядок размещения битовых болей в байте зависит от порядка байтов. При порядке LITTLE_ENDIAN битовые поля раздаются начиная со первых байтов, при BIG_ENDIAN - наоборот…

Порядок байтов

Меня также печалят в коде вызовы функций htons() , ntohs() , htonl() , nthol() в коде на C++. На C это ещё допустимо, но не на С++. С этим я никогда не смирюсь! Внимание всё нижесказанное относится к C++!

Ну тут я буду краток. Я в одной из своих предыдущих статей уже писал что нужно делать с порядками байтов. Есть возможность описать структуры, которые внешне работают как числа, а внутри сами определяют порядок хранения в байтах. Таким образом наша структура IP-заголовка будет выглядеть так:

#pragma pack(push,1) struct IpHeader { uint8_t header_length:4; uint8_t version:4; uint8_t type_of_service; u16be total_length; u16be identificator; // Flags uint8_t _reserved:1; uint8_t dont_fragment:1; uint8_t more_fragments:1; uint8_t fragment_offset_part1:5; uint8_t fragment_offset_part2; uint8_t time_to_live; uint8_t protocol; u16be checksum; // ... }; #pragma pack(pop)
Внимание собственно обращать на типы 2-байтовых полей - u16be . Теперь поля структуры не нуждаются ни в каких преобразованиях порядка байт. Остаются проблемы с fragment_offset , ну а у кого их нет - проблем-то. Тем не менее тоже можно придумать шаблон, прячущий это безобразие, один раз его оттестировать и смело использовать во всём своём коде.

«Язык С++ достаточно сложен, чтобы позволить нам писать на нём просто» Как ни странно - Я

З.Ы. Планирую в одной из следующих статей выложить идеальные, с моей точки зрения, структуры для работы с заголовками протоколов стека TCP/IP. Отговорите - пока не поздно!

Структура - это совокупность переменных, объединенных одним именем, предоставляющая общепринятый способ совместного хранения информации. Объявление структуры приводит к образованию шаблона, используемого для создания объектов структуры. Переменные, образующие структуру, называются членами структуры. (Члены структуры также часто называются элементами или полями.)

Обычно все члены структуры связаны друг с другом. Например, информация об имени и адресе, находящаяся в списке рассылки, обычно представляется в виде структуры. Следующий фрагмент кода объявляет шаблон структуры, определяющий имя и адрес. Ключевое слово struct сообщает компилятору об объявлении структуры.

Struct addr {
char name;
char street ; char city;
char state;
unsigned long int zip;
};

Объявление завершается точкой с запятой, поскольку объявление структуры - это оператор. Имя структуры addr идентифицирует структуру данных и является спецификатором типа. Имя структуры часто используют как ярлык.

На данный момент на самом деле не создано никакой переменной. Определена только форма данных. Для объявления настоящей переменной, соответствующей данной структуре, следует написать:

Struct addr addr_info;

В данной строке происходит объявление переменной addr_info типа addr. При объявлении структуры определяется переменная смешанного типа. До тех пор, пока не будет объявлена переменная данного типа, она не будет существовать.

Когда объявлена структурная переменная, компилятор автоматически выделяет необходимый участок памяти для размещения всех ее членов. Рис. показывает размещение addr_info в памяти.

Рисунок: Размещение структуры addr_info в памяти

При объявлении структуры можно одновременно объявить одну или несколько переменных.

Например:

Struct addr {
char name;
char street;
char city;
char state;
unsigned long int zip;
} addr_info; binfo, cinfo;

объявляет структуру addr и объявляет переменные addr_info, binfo, cinfo данного типа.

Важно понять, что каждая вновь создаваемая структурная переменная содержит свои собственный копии переменных, образующих структуру. Например, поле zip переменной binfo отделено от поля zip переменной cinfo. Фактически, единственная связь между binfo и cinfo заключается в том, что они обе являются экземплярами одного типа структуры. Больше между ними нет связи.

Если необходима только одна структурная переменная, то нет необходимости в ярлыке структуры. Это означает, что

Struct {
char name;
char street;
char city;
char state;
unsigned long int zip;
} addr_info;

Объявляет одну переменную addr_info с типом, определенным предшествующей ей структурой. Стандартный вид объявления структуры следующий:

struct ярлык {
тип имя переменной;
тип имя переменной;
тип имя переменной;
} структурные переменные;

Ярлык - это имя типа структуры, а не имя переменной. Структурные переменные - это разделенный запятыми список имен переменных. Следует помнить, что или ярлык, или структурные переменные могут отсутствовать, но не оба.

Последнее обновление: 09.10.2017

Ранее для определения классов мы использовали ключевое слово class . Однако C++ предоставляет еще один способ для определения пользовательских типов, который заключается в использовании структур. Данный способ был унаследован языком С++ еще от языка Си.

Структура в языке C++ представляет собой производный тип данных, который представляет какую-то определенную сущность, также как и класс. Нередко структуры применителько к С++ также называют классами. И в реальности различия между ними не такие большие.

Для определения структуры применяется ключевое слово struct , а сам формат определения выглядит следующим образом:

Struct имя_структуры { компоненты_структуры };

Имя_структуры представляет произвольный идентификатор, к которому применяются те же правила, что и при наименовании переменных.

После имени структуры в фигурных скобках помещаются Компоненты_структуры , которые представляют набор описаний объектов и функций, которые составляют структуру.

Например, определим простейшую структуру:

#include #include struct person { int age; std::string name; }; int main() { person tom; tom.name = "Tom"; tom.age = 34; std::cout << "Name: " << tom.name << "\tAge: " << tom.age << std::endl; return 0; }

Здесь определена структура person , которая имеет два элемента: age (представляет тип int) и name (представляет тип string).

После определения структуры мы можем ее использовать. Для начала мы можем определить объект структуры - по сути обычную переменную, которая будет представлять выше созданный тип. Также после создания переменной структуры можно обращаться к ее элементам - получать их значения или, наоборот, присваивать им новые значения. Для обращения к элементам структуры используется операция "точка":

Имя_переменной_структуры.имя_элемента

По сути структура похожа на класс, то есть с помощью структур также можно определять сущности для использования в программе. В то же время все члены структуры, для которых не используется спецификатор доступа (public, private), по умолчанию являются открытыми (public). Тогда как в классе все его члены, для которых не указан спецификатор доступа, являются закрытыми (private).

Кроме того мы можем инициализировать структуру, присвоив ее переменным значения с помощью синтаксиса инициализации:

Person tom = { 34, "Tom" };

Инициализация структур аналогична инициализации массивов: в фигурных скобках передаются значения для элементов структуры по порядку. Так как в структуре person первым определено свойство, которое представляет тип int - число, то в фигурных скобках вначале идет число. И так далее для всех элементов структуры по порядку.

При этом любой класс мы можем представить в виде структуры и наоборот. Возьмем, к примеру, следующий класс:

Class Person { public: Person(std::string n, int a) { name = n; age = a; } void move() { std::cout << name << " is moving" << std::endl; } void setAge(int a) { if (a > 0 && a < 100) age = a; } std::string getName() { return name; } int getAge() { return age; } private: std::string name; int age; };

Данный класс определяет сущность человека и содержит ряд приватных и публичных переменных и функции. Вместо класса для определения той же сущности мы могли бы использовать структуру:

#include #include struct user { public: user(std::string n, int a) { name = n; age = a; } void move() { std::cout << name << " is moving" << std::endl; } void setAge(int a) { if (a > 0 && a < 100) age = a; } std::string getName() { return name; } int getAge() { return age; } private: std::string name; int age; }; int main() { user tom("Tom", 22); std::cout << "Name: " << tom.getName() << "\tAge: " << tom.getAge() << std::endl; tom.setAge(31); std::cout << "Name: " << tom.getName() << "\tAge: " << tom.getAge() << std::endl; return 0; }

И в плане конечного результата программы мы не увидели бы никакой разницы.

Когда использовать структуры? Как правило, структуры используются для описания таких данных, которые имеют только набор публичных атрибутов - открытых переменных. Например, как та же структура person, которая была определена в начале статьи. Иногда подобные сущности еще называют аггрегатными классами (aggregate classes).

Последнее обновление: 02.10.2018

Наряду с классами структуры представляют еще один способ создания обственных типов данных в C#. Более того многие примитивные типы, например, int, double и т.д., по сути являются структурами.

Например, определим структуру, которая представляет человека:

Struct User { public string name; public int age; public void DisplayInfo() { Console.WriteLine($"Name: {name} Age: {age}"); } }

Как и классы, структуры могут хранить состояние в виде переменных и определять поведение в виде методов. Так, в данном случае определены две переменные - name и age для хранения соответственно имени и возраста человека и метод DisplayInfo для вывода информации о человеке.

Используем эту структуру в программе:

Using System; namespace HelloApp { struct User { public string name; public int age; public void DisplayInfo() { Console.WriteLine($"Name: {name} Age: {age}"); } } class Program { static void Main(string args) { User tom; tom.name = "Tom"; tom.age = 34; tom.DisplayInfo(); Console.ReadKey(); } } }

В данном случае создается объект tom. У него устанавливаются значения глобальных переменных, и затем выводится информация о нем.

Конструкторы структуры

Как и класс, структура может определять констукторы. Но в отличие от класса нам не обязательно вызывать конструктор для создания объекта структуры:

User tom;

Однако если мы таким образом создаем объект структуры, то обязательно надо проинициализировать все поля (глобальные переменные) структуры перед получением их значений или перед вызовом методов структуры. То есть, например, в следующем случае мы получим ошибку, так как обращение к полям и методам происходит до присвоения им начальных значений:

User tom; int x = tom.age; // Ошибка tom.DisplayInfo(); // Ошибка

Также мы можем использовать для создания структуры конструктор по умолчанию, при вызове которого полям структуры будет присвоено значение по умолчанию (например, для числовых типов это число 0):

User tom = new User(); tom.DisplayInfo(); // Name: Age: 0

Также мы можем определить свои конструкторы. Например, изменим структуру User:

Using System; using System.Reflection; namespace HelloApp { struct User { public string name; public int age; public User(string name, int age) { this.name = name; this.age = age; } public void DisplayInfo() { Console.WriteLine($"Name: {name} Age: {age}"); } } class Program { static void Main(string args) { User tom = new User("Tom", 34); tom.DisplayInfo(); User bob = new User(); bob.DisplayInfo(); Console.ReadKey(); } } }

Важно учитывать, что если мы определяем конструктор в структуре, то он должен инициализировать все поля структуры, как в данном случае устанавливаются значения для переменных name и age.

Также, как и для класса, можно использовать инициализатор для создания структуры:

User person = new User { name = "Sam", age = 31 };

Но в отличие от класса нельзя инициализировать поля структуры напрямую при их объявлении, например, следующим образом:

Struct User { public string name = "Sam"; // ! Ошибка public int age = 23; // ! Ошибка public void DisplayInfo() { Console.WriteLine($"Name: {name} Age: {age}"); } }