Структура - это удобное хранилище для разнородных данных, которые хочется объединить. К примеру, вы можете создать структуру, описывающую параметры вашего устройства - сетевые настройки, таймаут спящего режима, его идентификатор и прочее подобное, типа какой-нибудь строки приветствия и состояния светодиода. Раз все параметры будут храниться в одном месте - они всегда будут на виду, да и нормальные IDE будут вам подсказывать поля структуры при обращении к ним. Ещё мы рассмотрим хранение и восстановление структур из архива, а также их передачу по сети.
Объявление такой структуры:
Struct { uint32_t ID; char IP; uint16_t timeout; bool led; char text; } params;
Как это работает?
В си довольно удобный синтаксис, в том плане что многие вещи записываются как «тип_данных переменная», начиная с «int i» заканчивая «void main() {}». Так и здесь, кодовое слово struct начинает объявление структуры, и весь кусок кода «struct { … }» просто задаёт новый тип. Соответственно, params - это уже готовая переменная (экземпляр типа), которую можно использовать. Внутри фигурных скобок перечислены все поля структуры, которые потом будут доступны так: params.ID или params.IP. Длина полей должна быть фиксированной, поэтому нельзя использовать строки вида *text, только массивы вида text.
Можно было сделать немного иначе: объявить только тип, а переменную завести позже. Для этого мы использовали бы ключевое слово typedef и написали так:
Typedef struct { uint32_t ID; char IP; uint16_t timeout; bool led; char text; } params_struct; params_struct params;
Так появляется возможность оставить все объявления структурных типов в отдельном файле (header), а в главном файле просто использовать уже готовые структурные типы для объявления структур прямо по месту.
Конечно, в обоих вариантах вы можете объявить сколько угодно экземпляров структур, или создать массив из них:
Struct { uint32_t ID; char IP; uint16_t timeout; bool led; char text; } params1, params2, params;
Вариант с массивом особенно удобен для сервера в клиент-серверной топологии сети - на каждом клиенте хранятся в структуре его собственные параметры, а на мастер-устройстве располагается таблица параметров всех клиентов в виде массива структур.
В принципе, ничего сложного в структурах нет, а с темой серверов и клиентов мы плавно подошли к более интересной теме:
Для многих будет удивлением то, что данные структуры хранятся в памяти в виде плоского списка, все поля структуры просто идут в памяти друг за другом. Поэтому становится возможным обращаться с этой структурой как с простым массивом байт! Проверим, создадим массив «поверх» этой структуры.
Начальное смещение получим так:
Char *Bytes = ¶ms;
мы объявили указатель char и поместили в него адрес params. Теперь Bytes указывает на первый байт структуры, и при последовательном чтении мы побайтно прочитаем всю структуру. Но сколько байт нужно прочитать? Для этого рассмотрим две интересных функции.
Это даже не функции, а встроенные макросы языка Си. Начнём с более простой, sizeof .
Компилятор заменяет все записи вида sizeof X на значение длины Х. В качестве X может выступать как тип, так и экзмепляр типа, т.е. в нашем случае можно подставить в sizeof и тип структуры (если мы его заводили с помощью typedef), и саму переменную структуры так: sizeof params_struct или sizeof params. Она пройдёт по всем полям структуры, сложит их длины и отдаст сумму, которая и будет длиной структуры.
offsetof - настоящий макрос, который принимает два параметра (структуру _s_ и поле _m_ в ней) и отдаёт положение этого поля в структуре, его смещение относительно начала структуры. Выглядит этот макрос очень просто:
Offsetof(s, m) (size_t)&(((s *)0)-›m).
Как он работает?
Магия именно в первом шаге, в котором мы берём 0. Благодаря этому на четвёртом шаге абсолютный адрес поля, вычисленный компилятором, оказывается отсчитан относительно начала структуры - структуру-то мы положили в адрес 0. Таким образом, после выполнения этого макроса мы реально имеем смещение поля относительно начала структуры. Понятно, что этот макрос правильно определит смещения даже в сложных и вложенных структурах.
Здесь нужно сделать небольшое отступление. Дело в том, что я рассматривал самый простой случай, когда поля упакованы точно вслед друг за другом. Есть и другие методы упаковки, которые называются «выравнивание». К примеру, можно выдавать каждому полю «слот», кратный 4 байтам, или 8 байтам. Тогда даже char будет занимать 8 байт, и общий размер структуры вырастет, а все смещения сдвинутся и станут кратны выравниванию. Эта штука полезна при программировании для компьютера, поскольку из-за грануляции ОЗУ процессор гораздо быстрее умеет извлекать из памяти выровненные данные, ему требуется на это меньше операций.
Окей, теперь мы умеем представлять любую структуру в виде массива байт, и обратно. Вы поняли фишку? У нас теперь одна и та же область памяти имеет роли «структура» и «массив». Изменяем что-то в структуре - меняется массив, меняем массив - меняется структура.
В этом - суть процесса! У нас нет отдельного массива, потому что сама структура - это уже массив, и мы просто обращаемся к памяти разными методами. И у нас нет никаких копирующих циклов по полям или по байтам, этот цикл будет уже сразу в функции передачи.
Теперь осталось лишь научиться удобно с этим всем работать.
Чтобы создать архивную копию структуры, для передачи по сети или для складывания её в надёжное место - отдайте в вашу функцию передачи данных адрес этого массива. К примеру, моя функция записи массива данных в EEPROM выглядит так: I2C_burst_write (I2Cx, HW_address, addr, n_data, *data). Вам просто нужно вместо n_data передать sizeof params, а вместо *data - ¶ms:
I2C_burst_write (I2Cx, HW_address, addr, sizeof params, ¶ms)
Функции передачи данных по сети обычно выглядят примерно так же. В качестве данных передавайте ¶ms, а в качестве длины данных - sizeof params.
Всё точно так же. Моя функция чтения массива из EEPROM: I2C_burst_read (I2Cx, HW_address, addr, n_data, *data). n_data = sizeof params, *data = ¶ms:
I2C_burst_read (I2Cx, HW_address, addr, sizeof params, ¶ms)
Не забывайте, что вы сразу пишете принятые байты непосредственно в структуру. При медленной или ненадёжной передаче имеет смысл записать данные во временный буфер, и после их проверки передать их в структуру через
Memcpy(¶ms, &temp_buffer, sizeof params).
Реализовав эти методы, мы воплотим удобную синхронизацию двух структур, находящихся на разных компьютерах: клиент-микроконтроллер может быть хоть на другой стороне земного шара от сервера, но передать структуры будет всё так же просто.
И зачем же мы так долго рассматривали макрос offsetof? Его очень удобно использовать для чтения и записи отдельных полей структуры, например так:
I2C_burst_write (I2Cx, HW_address, addr + offsetof(params, IP), sizeof params.IP, ¶ms.IP) I2C_burst_read (I2Cx, HW_address, addr + offsetof(params, IP), sizeof params.IP, ¶ms.IP)
Ну и вообще, было бы неплохо сделать удобные макросы-обёртки для этой цели.
#define store(structure, field) I2C_burst_write (I2Cx, HW_address, addr + offsetof(structure, field), sizeof(structure.field), &(structure.field)) #define load(structure, field) I2C_burst_read (I2Cx, HW_address, addr + offsetof(structure, field), sizeof(structure.field), &(structure.field))
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:
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…
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…
Struct Foo
{
char ch;
short id;
int value;
};
Оно выглядит вот так:
Struct Foo
{
char ch;
short id;
short opt;
int value;
};
Посмотрим на размещение полей в памяти:
#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…
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…
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!
Пока мы рассматривали одну сложную структуру (сложный тип) - массив; одним из основных свойств массива является однотипность его компонент. Многие информационно-логические задачи связаны с обработкой документов, содержащих в себе информация разного типа (числовую, символьную и т. д.) Примеры таких документов: платежные ведомости (фамилии и имена - символьная информация, денежные суммы - числовая), карточки больных в поликлинике, библиотечная информация. Для программирования алгоритмов обработки такой информации необходимо иметь сложный тип, объединяющий разнотипные компоненты. Таким типом является структура в Си (в Паскале запись).
Структурная переменная, или просто структура, состоит из нескольких переменных (называемых полями), возможно, разного типа.
|
тип "структура" (шаблон) |
переменная типа "структура " |
|
Описание шаблона : |
Описание структурной переменной |
|
typedef struct { Тип1 Список1ИменПолей; |
struct ИмяШаблона ИмяПеременной |
|
Тип2 Список2ИменПолей; | |
|
ТипN СписокNИменПолей; |
ключевое struct слово не нужно пpи |
|
} ИмяШаблона |
использовании typedef |
|
или struct ИмяШаблона | |
|
{ Тип1 Список1ИменПолей;¦ | |
|
Тип2 Список2ИменПолей; | |
|
ТипN СписокNИменПолей; | |
typedef struct {char author; char title;/*описание*/
int year; float price} BOOK; /*шаблона BOOK*/
/*или можно описать тот же самый шаблон так:
struct BOOK {char author; char title;
int year; float price} ;*/
struct BOOK b;/*описание структурной переменной b*/
Память, занимаемая структурой, равна сумме объемов памяти полей (если исключить из рассмотрения особенности, связанные с выравниванием). В любом случае для определения размера памяти структуры можно использовать операцию sizeof(). Шаблон ВООК, например, описывает структуру размером памяти 70.
Обращение к полю структурной переменной:
ИмяСтруктуры.ИмяПоля или АдресСтруктуры ->ИмяПоля
. (точка) и ->являются операциями, соответственно, прямого и косвенного выбора компоненты структурированной переменной.
Например,
struct BOOK a,*pnta=&a;...
a.author="Byron"; pnta->author="Byron"; /*эквивалентные операторы*/
Пример. Задача примера 2 п.3.1.4 в нижеприведенной программе выполнена с использованием структур (а не строк).
#include
#include
#include
{ /*структура сведений об игрушках*/
typedef struct {int nu;/*номер*/
char name;/*наименование*/
int minage,maxage;/*мин. и макс. возраст ребенка*/
double rub /*стоимость*/;}TOYS;
TOYS toy;/*переменная типа записьTOYS */
double max; /*максимальная стоимость*/
char namemax;/*название самого дорогого конструктора*/
int n /*число игрушек*/,i/*номер игрушки*/;
puts("Введите число наименований игpушек");
for (i=0;
i /*в
цикле ввод сведений об игрушках и
проверка условий*/ fflush(stdin); /*очистка буфера
устройства ввода послеscanf
*/ printf("
Введите сведения об игpушке с номеpом
%2d\n",toy.nu); puts("наименование"); puts("мин. и макс. возpаст и стоимость"); scanf("%d%d%lf",&toy.minage,&toy.maxage,&toy.rub); if
((strstr(toy.name,"констpуктоp")!=NULL || strstr(toy.name,"Констpуктоp")!=NULL) && (toy.maxage <= 7) && (toy.rub>max)) strcpy(namemax,toy.name); puts(" Констpуктоpов для детей до семи
лет нет"); {
printf("Cамый доpогой констpуктоp для
детей до семи лет\n"); printf(" %s стоит %8.0f pублей\n",namemax,max); В Си существует еще один сложный тип,
описание которого формально похоже на
структуру. Это тип (и переменная)
объединение
. Объединение - это переменная, содержащая
поля разного типа, помещаемые в одно и
то же место памяти. По существу объединение
дает способ различной интерпретация
содержимого памяти. Описание шаблона
(типа) объединения и переменной этого
типа выполняется также, как для структуры,
только вместо ключевого слова struct
используетсяunion
. Размер памяти,
занимаемой объединением, равен
максимальному из размеров полей.
