C++ 学习之七、C++ 复合类型之结构、共用体、枚举

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C++ 的结构、共用体、枚举等有一些共同之处，也有很多差别。

结构 struct

结构概念

数组是存储一组相同类型的数据，如果想在一个对象中存储多种不同类型的数据呢，比如想同时存储一个人的姓名，年龄，身高，体重。

结构是一种比数组更灵活的数据格式，因为同一个结构可以存储多种类型的数据。结构也是 C++ OOP (类) 的基石。

结构声明

结构声明包括两步。首先，定义结构描述——它描述并标记了能够存储在结构中的各种数据类型。然后按描述创建结构变量（结构数据对象）。

结构声明放置的位置决定作用范围，使用与基本数据类型的变量一致。C++ 不提倡使用外部变量，但提倡使用外部结构声明。另外，C++ 允许在声明结构时省略关键字 struct。

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// StructDemo.cpp

#include <iostream>
struct person   // 外部声明 person 结构，其它函数中都可以使用，如果是某个函数内部声明，则只能该函数内部使用
{
    char name[20];  // 成员 name
    bool sex;   // 性别，true 表示男性
    int age;    // 成员 age
    float height;   // 成员 height: m
    float weight;   // 成员 weight: kg
};  // 注意结构声明中每个成员都以分号隔开，最后的大括号后面也要有分号

int main()
{
    using namespace std;
    person xiaoming = 
    {
        "Xiao Ming",
        true,
        30,
        1.70,
        68
    };  // 结构初始化时，各成员初始化使用逗号隔开
    // 结构变量使用成员运算符（.）来访问各个成员
    cout << xiaoming.name << " is " << xiaoming.age << " years old." << endl;
    cout << "And he is " << xiaoming.height << "m, " << xiaoming.weight << "kg." << endl;
    return 0;
}

结构类型变量初始化

定义结构后，就可以像基本数据类型变量一样使用结构。

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person teacher = 
{   // 一般初始化方式，成员之间使用 , 分隔
    "Xiao Zhang",    // name
    false,
    50,     // age
    1.68,   // height
    68     // weight，最后一个数据可以不使用 , 分隔
};  // 初始化最后大括号依然使用分号，因为这是一条完整的语句

person teacher {"Xiao Zhang", false, 50, 1.68, 68}; // C++11 列表初始化方式，可以省略 = 号

person teacher {};  // C++11 列表初始化方式，大括号内未包含任何内容时，各个成员都将被设置为零，name 每个字节都将被设置为 0

可以在声明结构的同时定义出该类型的变量，或直接初始化

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struct book
{
    int pages;
    char bookName[20];
} book1, book2; // 直接定义 book1 book2 为 book 类型的变量

struct book
{
    int pages;
    char bookName[20];
} book3 =       // 定义出 book 类型变量 book3 并直接初始化
{
    200,
    "Driving"
};

还可以声明没有名称的结构类型，即匿名结构，方法是省略名称，同时定义一种结构类型和一个该类型的变量：

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struct  // 没有名称的结构，匿名结构
{
    int x;
    int y;
} position;     // 结构变量，这种声明方法最终只能使用直接定义的变量，后面无法创建该结构的新变量

结构数组

如上述例子中，结构中可以包含数组（如 name[20]），也可创建元素为结构的数组，方法和创建基本类型数组一样。

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// 如创建 person 结构数组
person teacher[3] = 
{
    {"Xiao Hong", false, 20, 1.50, 45},
    {"Xiao Wang", true, 25, 1.80, 70.2},
    {"Xiao Cheng", false, 18, 1.50, 43}
};
cout << teracher[0].name << endl;   // 像使用正常数组一样使用结构数组

结构中的位字段

与 C 语言一样，C++ 也允许指定占用特定位数的结构成员，这使得创建与某个硬件设备上的寄存器对应的数据结构非常方便。字段的类型应为整数或枚举，接下来是冒号，冒号后面是一个数字，它指定了使用的位数。可以使用没有名称的字段来提供间距。每个成员都被称为位字段（bit field）。下面是一个例子：

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struct torgle_register
{
    unsigned int SN : 4;    // 4 bits for SN value
    unsigned int : 4;   // 4 bits 未使用数据，用来占位提供间距
    bool goodIn : 1;    // valid input (1 bit)
    bool goodTorgle: 1; // success ful torgling
};
// 可以像通常那样初始化这些字段，还可以使用标准的结构表示法来访问位字段：
torgle_register tr = { 14, true, false };   // 不用在意未命名的占位字段
...
if (tr.goodIN)  // 获得成员来进行判断
...

共用体 union

共用体（union）是一种数据格式，它能够存储不同的数据类型，但只能同时存储其中的一种类型。共用体的句法和结构相似，但含义不同。共用体的用途之一是，当数据使用两种或更多格式（但不会同时使用）时，可节省空间。另外，共用体常用于操作系统数据结构或硬件数据结构。

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// 文件名 UnionDemo.cpp
#include <iostream>

struct Goods    // 定义 Goods 结构
{
    bool type;  // 结构成员 type
    float weight;   // 结构成员 weight
    float height;   // 结构成员 height
    union id    // 结构成员 id 是一个共用体，只能存储定义中的其中一种类型
    {
        double d_id;
        int int_id;
    } id_var;   // struct 内嵌套 union 使用时，union 需要直接定义出共用体类型的变量，否则无法正常使用
};

int main()
{
    Goods first;
    first.type = true;
    first.weight = 1.3;
    first.height = 0.5;
    first.id_var.d_id = 1.6888; // 赋值 d_id，则此 union 内存中无 int_id
    std::cout << "ID is " << first.id_var.d_id << std::endl;
}

当共用体中一个成员被赋值后，其它成员将像不存在一样。由于共用体每次只能存储一个值，因此它必须有足够的空间来存储最大的成员，所以共用体的长度为其最大成员的长度。

union 还有一种匿名类型，像匿名结构一样不需要名字，此时不需要定义该变量。此时由于共用体是匿名的，因此共用体的成员将被视为外部成员，它们的地址相同，所以不需要变量来标识。程序员负责确定当前哪个成员是活动的。

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struct widget
{
    char brand[20];
    int type;
    union   // 匿名共用体
    {
        long id_num;
        char id_char[20];
    };
};
...
widget prize;
...
// id_num 和 id_char 被视为 prize 的两个成员，id_num 和 id_char 地址相同
if (prize.type == 1)
    cin >> prize.id_num;
else
    cin >> prize.id_char;

枚举 enum

C++ 的枚举（enum）工具提供了另一种创建符号常量的方式，这种方式可以代替 const。它还允许定义新类型，但必须按严格的限制进行。使用 enum 的句法与使用结构相似。

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enum spectrum
{
    red, orange, yellow, green, blue, violet, indigo, ultraviolet
};

spectrum 被称为枚举。大括号内将作为符号常量，它们对应的整数值 0 ~ 7。这些常量叫作枚举量（enumerator）。

枚举的特性

  • 默认情况下，将整数值赋给枚举量，第一个值为 0，第二个值为 1，依此类推。如上例中 red 值为 0，orange 值为 1。

  • 在不进行强制转换的情况下，只能将定义的枚举量赋值给相应的枚举变量，如

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    spectrum band;  // 定义 spectrum 类型的枚举变量 band
    band = blue;    // 合法，band 变量的值只能为定义的枚举量
    band = 2000;    // 非法，2000 不是定义的枚举量，不能赋给枚举变量

  • 枚举量是整型，可被提升为 int 类型，但 int 类型不能自动转换为枚举类型。

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    int color = orange; // 合法，枚举量可提升为整型
    band = 3;   // 非法，int 类型不能自动转换为枚举类型
    color = 3 + red;    // 合法，red 提升为 int 类型

    但是在枚举量的取值范围内的时候，int 类型可以强制转换为枚举量。如 band = spectrum(3)

枚举量的值

可以使用赋值运算符来显式地设置枚举量的值：

enum bits{one = 1, two = 2, four = 4, eight = 8};

指定的值必须是整数。也可以只显式地定义其中一些枚举量的值：

enum bigstep{first, second = 100, third};

这里，first 在默认情况下为 0。后面没有被初始化的枚举量的值将比其前面的枚举量大 1。因此 third 的值为 101。

最后，可以创建多个值相同的枚举量：

enum step{zero, null = 0, one, numro_uno = 1}

其中 zero 和 null 都为 0，one 和 numro_uno 都为 1。

枚举的取值范围

可以将在枚举取值范围内的整型强制转换为枚举量。

  • 上限。大于最大枚举量的、最小的 2 的幂，将它减去 1。如枚举量中最大值为 11，则此枚举上限为 15
  • 下限。如果枚举量最小值不小于 0，则取值范围的下限为 0，否则，采用与寻找上限方式相同的方法，但加上负号。如，假如最小的枚举量为 -6，而比它小的、最大的 2 的幂是 -8（加上负号），因此下限为 -7。