结构体

第七章结构体

1.复合数据类型—结构体

大多数数据类型都具有单一的值，例如整数、字符、布尔值、浮点数，这些可称为基本数据类型(Primitive Type)。但字符串是一个例外，它由很多字符组成，像这种由基本数据类型组成的数据类型称为复合2数据类型(Compound Type)，正如表达式和语句有组合规则一样，由基本类型组成复合类型也有一些组合规则，如结构体、数组和字符串。复合数据类型一方面可以从整体上当作一个数据使用，另一方面也可以分别访问它的各组成单元，复合数据类型的这种两面性提供了一种数据抽象(Data Abstraction)的方法。在学一门编程语言时，要特别注意以下三方面：

1）这门语言提供了哪些Primitive，比如基本数据类型，比如基本的运算符、表达式和语句。

2）这门语言提供了哪些组合规则，比如复合数据类型，比如表达式和语句的组合规则。

3）这门语言提供了哪些抽象机制，例如数据抽象和过程抽象(Procedure Abstraction)。

以结构体为例来学习数据类型的组合和抽象。至于过程抽象，最简单的形式就是把一组语句用一个函数名封装起来，当作一个整体使用。

现在我们用C语言表示一个复数。如果从直角坐标系来看，复数由实部和虚部组成，如果从极坐标系来看，复数由模和辐角组成，两种坐标系可以相互转换。如下图所示：

比如用实部和虚部表示一个复数，我们可以采用两个double型组成的结构体：

这样定义了complex_struct这个标识符，既然是标识符，那么它的命名规则就和变量一样，但它不表示一个变量，而表示一个类型，这种标识符在C语言中称为Tag，struct complex_struct {double x, y; }整个可以看作一个类型名，就像int或double一样，只不过它是一个复合类型，如果用这个类型名来定义变量，可以这样写：

这样z1和z2就是两个变量名，变量定义后面带个；号是我们早就习惯的。但即使像上面那样只定义了complex_struct这个Tag而不定义变量，后面的；号也不能少。这一点要注意，结构体定义后面少;号是初学者很常犯的错误。不管是用上面两种形式的哪一种形式定义了complex_struct这个Tag,以后都可以直接用struct complex_struct来代替类型名了。例如可以这样定义另外两个复数变量：

如果在定义结构体类型的同时定义了变量，也可以不必写Tag，例如：

但这样就没有办法再次引用这个结构体类型了，因为它没有名字。每个复数变量都有两个成员(Member) x和y，可以用 . 运算符( . 号，Period)来访问，这两个成员的存储空间是相邻的，合在一起组成复数变量的存储空间。看下面的例子：

定义和访问结构体

注意上例中变量x和变量z的成员x的名字并不冲突，因为变量z的成员x总是用 . 运算符来访问的，编译器可以区分开哪个x是变量x,哪个x是变量z的成员x,它们属于不同的命名空间(Name Space)。Tag也可以定义在函数外面，就像全局变量一样，这样定义的Tag在其定义之后的各函数中都可以使用。例如：

结构体变量也可以在定义时初始化，例如：

Initializer中的数据依次赋给结构体的成员。如果Initializer中的数据比结构体的成员多，编译器会报错，但如果只是末尾多个逗号不算错。如果Initializer中的数据比结构体的成员少，未指定的成员将用0来初始化，就像未初始化的全局变量一样。例如以下几种形式的初始化都是合法的：

其中，z1必须是函数的局部变量才能用变量x来初始化，如果是全局变量就只能用常量表达式来初始化。尽管结构体的初始化可以用这种语法，结构体赋值却不行，例如这样是错误的：

以前使用基本数据类型时，能用来初始化的表达式就能用来赋值，在这一点上结构体的语法规则有点不同。结构体类型的值用在表达式中有很多限制，不像基本数据类型那么自由，比如+-*/等算术运算符和&&、||、！等逻辑运算符都不能作用于结构体类型，if、while的控制表达式的值也不能是结构体类型。严格来说，可以做算术运算的类型称为算术类型(Arithmetic Type)，算术类型包括整型和浮点型。可以做逻辑与、或、非运算的操作数或者if、for、while的控制表达式的类型称为标量类型(Scalar Type)，标量类型包括算术类型和指针类型。

结构体类型之间用赋值运算符是允许的，用一个结构体初始化另一个结构体也是允许的，如：

同样地，z2必须是局部变量才能用变量z1来初始化。既然可以这样用，那么结构体可以当作函数的参数和返回值来传递就在意料之中了：

这个函数实现了两个复数相加，如果在main函数中这样调用：

那么调用传参的过程如下图所示(结构体传参)：

变量z在main函数的栈帧中，参数z1和z2在add_complex函数的栈帧中，z的值分别赋给z1和z2。在这个函数里，z2的实部和虚部被累加到z1中，然后return z1;，可以看成是：

1）把z1拷到一个临时变量里。

2）函数返回并释放栈帧。

3）把临时变量的值拷给变量z，释放临时变量。

2.数据抽象

复数可以用直角坐标或极坐标表示，直角坐标做加减法比较方便，极坐标做乘除法比较方便。如果我们定义的复数结构体是直角坐标的，那么应该提供极坐标的转换函数，以便在需要的时候可以方便地取它的模和辐角：

此外，我们还提供两个函数用来构造复数变量，既可以提供直角坐标也可以提供极坐标，在函数中自动做相应的转换然后返回构造的复数变量：

在此基础上就可以实现复数的加减乘除运算了：

可以看出，复数加减乘除运算的实现并没有直接访问结构体complex_struct的成员x和y，而是把它看成一个整体，通过调用相关函数来取它的直角坐标和极坐标。这样就可以非常方便地替换掉结构体complex_struct的存储表示，例如改为用极坐标来存储：

虽然结构体complex_struct的存储表示做了这样的改动，add_complex、sub_complex、mul_complex、div_complex这几个复数运算的函数却不需要做任何改动，仍可以使用，原因在于这几个函数只把结构体complex_struct当作一个整体来使用，而没有直接访问它的成员，因此也不依赖于它有哪些成员。结合下图具体分析一下。

这里要介绍的编程思想称为抽象。其实“抽象”这个概念并没有那么抽象，简单地说就是“提取公因式”：ab+ac=a(b+c)。如果a变了，ab和ac这两项都需要改，但如果写成a(b+c)的形式就只需要改其中一个因子。

在我们的复数运算程序中，复数有可能用直角坐标或极坐标表示，我们把这个有可能变动的因素提取出来组成复数存储表示层：real_part、img_part、magnitude、angle、make_from_real_img、make_from_mag_ang。这一层看到的数据是结构体的两个成员x和y，或者r和A，如果改变了结构体的实现就要改变这一层函数的实现，但函数接口不改变，因此调用这一层函数接口的复数运算层也不需要改变。复数运算层看到的数据只是一个抽象的“复数”的概念，知道它有直角坐标和极坐标，可以调用复数存储表示层的函数得到这些坐标。再往上看，其他使用复数运算的程序看到的数据是一个更为抽象的“复数”的概念，只知道它是一个数，像整数、小数一样可以加减乘除，甚至连它有直角坐标和极坐标也不需要知道。

这里的复数存储表示表示层和复数运算层称为抽象层(Abstraction Layer)，从底层往上层来看，“复数”这种数据越来越抽象了，把所有这些层组合在一起就是一个完整的系统。组合使得系统可以任意复杂，而抽象使得系统的复杂性是可以控制的，任何改动都只局限在某一层，而不会搏击整个系统。著名的计算机科学加Butler Lampson说过：“All problems in computer science can be solved by another level of indirection.”这里的indirection其实就是abstraction的意思。

3.数据类型标志

前面我们通过一个复数存储表示抽象层把complex_struct结构体的存储格式和上层的复数运算函数隔开，complex_struct结构体既可以采用直角坐标也可以采用极坐标存储。但有时候需要同时支持两种存储格式，比如先前已经采集了一些数据存在计算机中，有些数据是以极坐标存储的，有些数据是以直角坐标存储的，如果要把这些数据都存储到complex_struct结构体中怎么办？一种办法是complex_struct结构体采用直角坐标格式，直角坐标的数据可以直接存入complex_struct结构体，极坐标的数据先用make_from_mag_ang函数转成直角坐标再存，但转换总是会损失精度的。这里介绍另一种方法，complex_struct结构体由一个数据类型标志和两个浮点数组成，如果数据类型标志为0，那两个浮点数就表示直角坐标，如果数据类型标志为1，那两个浮点数就表示极坐标。这样，直角坐标和极坐标的数据都可以适配(Adapt)到complex_struct结构体中，无需转换和损失精度：

Enum关键字的作用和struct关键字类似，把coordinate_type这个标识符定义为一个Tag，只不过struct complex_struct表示一个结构体类型，而enum coordinate_type表示一个枚举(Enumeration)类型。枚举类型的成员是常量，它们的值编译器自动分配，例如定义了上面的枚举类型之后，RECTANGULAR就表示常量0，POLAR就表示常量1。如果不希望从0开始分配，可以这样定义：