Язык Си предоставляет средство, называемое typedef, которое позволяет давать типам данных новые имена. Например, объявление
typedef int Length;
делает имя Length синонимом int. С этого момента тип Length можно применять в объявлениях, в операторе приведения и т. д. точно так же, как тип int:
Length len, maxlen;
Length *lengths[];
Аналогично объявление
typedef char *String;
делает String синонимом char *, т. e. указателем на char, и правомерным будет, например, следующее его использование:
String р, lineptr[MAXLINES], alloc(int);
int strcmp(String, String);
p = (String) malloc(100);
Заметим, что объявляемый в typedef тип стоит на месте имени переменной в обычном объявлении, а не сразу за словом typedef. С точки зрения синтаксиса слово typedef напоминает класс памяти - extern, static и т. д. Имена типов записаны с заглавных букв для того, чтобы они выделялись.
Для демонстрации более сложных примеров применения typedef воспользуемся этим средством при задании узлов деревьев, с которыми мы уже встречались в данной главе.
typedef struct tnode *Treeptr;
typedef struct tnode { /* узел дерева: */
char *word; /* указатель на текст */
int count; /* число вхождений */
Treeptr left; /* левый сын */
Treeptr right; /* правый сын */
} Treenode;
В результате создаются два новых названия типов: Treenode (структура) и Treeptr (указатель на структуру). Теперь программу talloc можно записать в следующем виде:
Treeptr talloc(void)
{
return (Treeptr) malloc(sizeof(Treenode));
}
Следует подчеркнуть, что объявление typedef не создает объявления нового типа, оно лишь сообщает новое имя уже существующему типу. Никакого нового смысла эти новые имена не несут, они объявляют переменные в точности с теми же свойствами, как если бы те были объявлены напрямую без переименования типа. Фактически typedef аналогичен #define с тем лишь отличием, что при интерпретации компилятором он может справиться с такой текстовой подстановкой, которая не может быть обработана препроцессором. Например
typedef int (*PFI)(char *, char *);
создает тип PFI - "указатель на функцию (двух аргументов типа char *), возвращающую int ", который, например, в программе сортировки, описанной в главе 5, можно использовать в таком контексте:
PFI strcmp, numcmp;
Помимо просто эстетических соображений, для применения typedef существуют две важные причины. Первая - параметризация программы, связанная с проблемой переносимости. Если с помощью typedef объявить типы данных, которые, возможно, являются машинно-зависимыми, то при переносе программы на другую машину потребуется внести изменения только в определения typedef. Одна из распространенных ситуаций - использование typedef -имен для варьирования целыми величинами. Для каждой конкретной машины это предполагает соответствующие установки short, int или long, которые делаются аналогично установкам стандартных типов, например size_t и ptrdiff_t.
Вторая причина, побуждающая к применению typedef,- желание сделать более ясным текст программы. Тип, названный Тreeptr (от английских слов tree - дерево и pointer - указатель), более понятен, чем тот же тип, записанный как указатель на некоторую сложную структуру.
ОБЪЕДИНЕНИЯ.
Объединение - это переменная, которая может содержать (в разные моменты времени) объекты различных типов и размеров. Все требования относительно размеров и выравнивания выполняет компилятор. Объединения позволяют хранить разнородные данные в одной и той же области памяти без включения в программу машинно-зависимой информации. Эти средства аналогичны вариантным записям в Паскале.
Примером использования объединений мог бы послужить сам компилятор, заведующий таблицей символов, если предположить, что константа может иметь тип int, float или являться указателем на символ и иметь тип char *. Значение каждой конкретной константы должно храниться в переменной соответствующего этой константе типа. Работать с таблицей символов всегда удобнее, если значения занимают одинаковую по объёму память и запоминаются в одном и том же месте независимо от своего типа. Цель введения в программу объединения - иметь переменную, которая бы на законных основаниях хранила в себе значения нескольких типов. Синтаксис объединений аналогичен синтаксису структур. Приведем пример объединения.
union u_tag {
int ival;
float fval;
char *sval;
} u;
Переменная u будет достаточно большой, чтобы в ней поместилась любая переменная из указанных трех типов: точный ее размер зависит от реализации. Значение одного из этих трех типов может быть присвоено переменной u и далее использовано в выражениях, если это правомерно, т. е. если тип взятого ею значения совпадает с типом последнего присвоенного ей значения. Выполнение этого требования в каждый текущий момент - целиком на совести программиста. В том случае, если нечто запомнено как значение одного типа, а извлекается как значение другого типа, результат зависит от реализации. Синтаксис доступа к элементам объединения следующий:
имя-объединения. элемент
или
указатель-на-объединение -> элемент
т. е. в точности такой, как в структурах. Если для хранения типа текущего значения u использовать, скажем, переменную utype, то можно написать такой фрагмент программы:
if (utype == INT)
printf("%d\n", u.ival);
else if (utype === FLOAT)
printf("%f\n", u.fval);
else if (utype == STRING)
printf("%s\n", u.sval);
else
printf ("неверный тип %d в utype\n", utype);
Объединения могут входить в структуры и массивы, и наоборот. Запись доступа к элементу объединения, находящегося в структуре (как и структуры, находящейся в объединении), такая же, как и для вложенных структур. Например, в массиве структур
struct {
char *name;
int flags;
int utype;
union {
int ival;
float fval;
char *sval;
} u;
} symtab[NSYM];
к ival обращаются следующим образом:
symtab[i].u.ival
а к первому символу строки sval можно обратиться любым из следующих двух способов:
*symtab[i].u.sval
symtab[i].u.sval[0]
Фактически объединение - это структура, все элементы которой имеют нулевое смещение относительно ее базового адреса и размер которой позволяет поместиться в ней самому большому ее элементу, а выравнивание этой структуры удовлетворяет всем типам объединения. Операции, применимые к структурам, годятся и для объединений, т. е. законны присваивание объединения и копирование его как единого целого, взятие адреса от объединения и доступ к отдельным его элементам.
Инициализировать объединение можно только значением, имеющим тип его первого элемента; таким образом, упомянутую выше переменную u можно инициализировать лишь значением типа int.
В главе 8 (на примере программы, заведующей выделением памяти) мы покажем, как, применяя объединение, можно добиться, чтобы расположение переменной было выровнено по соответствующей границе в памяти.
БИТОВЫЕ ПОЛЯ.
При дефиците памяти может возникнуть необходимость запаковать несколько объектов в одно слово машины. Одна из обычных ситуаций, встречающаяся в задачах обработки таблиц символов для компиляторов, - это объединение групп однобитовых флажков. Форматы некоторых данных могут от нас вообще не зависеть и диктоваться, например, интерфейсами с аппаратурой внешних устройств: здесь также возникает потребность адресоваться к частям слова.
Вообразим себе фрагмент компилятора, который заведует таблицей символов. Каждый идентификатор программы имеет некоторую связанную с ним информацию: например, представляет ли он собой ключевое слово и, если это переменная, к какому классу принадлежит: внешняя и/или статическая и т. д. Самый компактный способ кодирования такой информации - расположить однобитовые флажки в одном слове типа char или int.
Один из распространенных приемов работы с битами основан на определении набора "масок", соответствующих позициям этих битов, как, например, в
#define KEYWORD 01 /* ключевое слово */
#define EXTERNAL 02 /* внешний */
#define STATIC 04 /* статический */
или в
enum { KEYWORD = 01, EXTERNAL = 02, STATIC = 04 };
Числа должны быть степенями двойки. Тогда доступ к битам становится делом "побитовых операций", описанных в главе 2 (сдвиг, маскирование, взятие дополнения). Некоторые виды записи выражений встречаются довольно часто. Так,
flags |= EXTERNAL | STATIC;
устанавливает 1 в соответствующих битах переменной flags,
flags &= ~(EXTERNAL | STATIC);
обнуляет их, a
if ((flags & (EXTERNAL | STATIC)) == 0)...
оценивает условие как истинное, если оба бита нулевые.
Хотя научиться писать такого рода выражения не составляет труда, вместо побитовых логических операций можно пользоваться предоставляемым Си другим способом прямого определения и доступа к полям внутри слова. Битовое поле (или для краткости просто поле) - это некоторое множество битов, лежащих рядом внутри одной, зависящей от реализации единицы памяти, которую мы будем называть "словом". Синтаксис определения полей и доступа к ним базируется на синтаксисе структур. Например, строки #define, фигурировавшие выше при задании таблицы символов, можно заменить на определение трех полей:
struct {
unsigned int is_keyword: 1;
unsigned int is_extern: 1;
unsigned int is_static: 1;
} flags;
Эта запись определяет переменную flags, которая содержит три однобитовых поля. Число, следующее за двоеточием, задает ширину поля. Поля объявлены как unsigned int, чтобы они воспринимались как беззнаковые величины.
На отдельные поля ссылаются так же, как и на элементы обычных структур: flags.is_keyword, flags.is_extern и т.д. Поля "ведут себя" как малые целые и могут участвовать в арифметических выражениях точно так же, как и другие целые. Таким образом, предыдущие примеры можно написать более естественно:
flags.is_extern = flags.is_static = 1;
устанавливает 1 в соответствующие биты;
flags.is_extern = flags.is_static = 0;
их обнуляет, а
if (flags.is_extern == 0 && flags.is_ststic == 0)
...
проверяет их.
Почти все технические детали, касающиеся полей, в частности, возможность поля перейти границу слова, зависят от реализации. Поля могут не иметь имени; с помощью безымянного поля (задаваемого только двоеточием и шириной) организуется пропуск нужного количества разрядов. Особая ширина, равная нулю, используется, когда требуется выйти на границу следующего слова.
На одних машинах поля размещаются слева направо, на других - справа налево. Это значит, что при всей полезности работы с ними, если формат данных, с которыми мы имеем дело, дан нам свыше, то необходимо самым тщательным образом исследовать порядок расположения полей; программы, зависящие от такого рода вещей, не переносимы. Поля можно определять только с типом int, а для того чтобы обеспечить переносимость, надо явно указывать signed или unsigned. Они не могут быть массивами и не имеют адресов, и, следовательно, оператор & к ним не применим.