C++初学者指南 第九篇(7)

必备技能9.7：结构体和联合体

除了class关键字外，C++中还有两个关键字可以用来创建类类型。第一个可以用来创建结构体，第二个可用来创建联合体。下面分别进行讨论。

结构体

结构体是从C语言中继承而来的，声明时使用struct关键字。结构体在语法上和类很相似，都可以用来创建类类型。在C语言中，结构体只能含有数据成员，但是在C++中这种限制被突破了。在C++中结构体本质上是另外来指定类的一种方法。实际上，类和结构体的唯一区别只在于：缺省情况下，结构体的成员是公有的，而类的成员是私有的。在其它方面结构体和类都是相同的。

下面就是一个使用结构体的示例程序：

#include <iostream>
using namespace std;
 
struct Test
{
    int get_i()
    {
        return i;
    }
 
    void put_i(int j)
    {
        i = j;
    }
private:
    int i;
};
 
int main()
{
    Test s;
    s.put_i(10);
    cout << s.get_i();
 
    return 0;
}

上面这个简短的程序中定义了一个叫做Test的结构体。它的成员get_i()和put_i()都是公有的，而成员i则是私有的。注意：要使用关键字private来指定结构体的私有成员。

下面的程序展示了使用类来实现对等功能：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Test
{
    int i; //private by default
public:
    int get_i()
    {
        return i;
    }
 
    void put_i(int j)
    {
        i = j;
    }
};
 
int main()
{
    Test s;
    s.put_i(10);
    cout << s.get_i();
 
    return 0;
}

专家答疑

问：既然结构体和类几乎是相同的，那么C++中为什么会两者都有呢？

答：从表面上来看，既然结构体和类有着实际上相同的能力，那么两者在C++中同时存在就是一种冗余。许多C++的新手也会疑惑为什么会存在这种很明显的重复呢？实际上，有认为或者class或者struct关键字是不必要这种想法的人并不少。

这种现象存在的原因是为了保证C++对C的兼容。这样以来，标准C语言中的结构体在C++中就是完全有效的。在C语音中是没有公有和私有概念的。所有结构体的成员都缺省地是共有的。这也是为什么在C++中结构体的成员缺省情况下都是公有的而不是私有的。而关键字class是专门被设计出来用来支持封装的，这样它的成员缺省情况下都应该是私有的才是合理的。这样以来，为了避免和C语言中这个问题的不兼容，就没有对结构体的缺省情况进行修改，而是增加了新的关键字。然而，长远地来看，把结构体和类区分开来还有一个重要的原因。由于类在句法上是和结构体相区别的单独实体，因此它可自由的进化和发展，而不用考虑必须和C中的结构体兼容的问题。由于结构体和类是相互独立的，那么C++以后的发展方向就不会受到必须和C中结构体保持兼容这个问题的阻碍。

更重要的是：C++程序员可以使用类来定义含有成员函数的对象的通用形式，可以使用结构体来定义那些只含有数据成员的传统的对象。有时候会采用缩写POD来描述这种不含有成员函数的结构体。POD代表的就是“plain old data.”(简单的老式数据)

联合体

联合体就是由两个或者多个不同的变量同享的内存区域。通过使用union关键字可以创建联合体。 联合体的声明和结构体的声明有些类似，示例如下：

union utype
{
    short int i;
    char ch;
};

上面的示例代码中定义了一个联合体，其中短整形变量i和字符型变量ch共享同一个内存位置。有一点必须明确：这个联合体是不能同时即含有一个整形值，又含有一个字符值的。这是因为i和ch是相互重叠的。在程序中，任何时候我们都可以对存储在这个联合体中的数值活着作为整形数或者字符来处理。因此，联合体使得我们可以以多种方式来看待同一块数据。

我们可以通过在联合体声明的后面紧跟变量的名字来声明联合体变量，或者是使用单独的声明语句。例如，想要声明一个utype类型的联合体变量u_var，我们可以这样写：

utype u_var;

对于变量u_var来说，短整形的i和字符型的ch共享同一个内存位置。（当然，i要占用两个字节，而ch只占用一个字节）图9-1展示了i和ch是如何共享这同一块内存地址的。

图9-1 i和ch共享内存

在C++中，联合体本质上就是类，只是它的所有元素都存储在同一个位置。实际上，联合体定义了一种类类型。联合体可以含有构造函数和析构函数以及其它的成员函数。由于联合体是从C语言中继承而来的，因此缺省情况下，它的所有成员都是公有的，而不是私有的。

下面的程序中就使用了联合体来显示构成短整形的高字节和低字节的字符值（我们假定短整形是两个字节）：

//演示联合体
 
#include <iostream>
using namespace std;
 
union u_type
{ 
    u_type(short int a)
    {
        i = a;
    }
    u_type ( char x, char y )
    {
        ch[0] = x;
        ch[1] = y;
    }
 
    void showChars()
    {
        cout << ch[0] << " ";
        cout << ch[1] << "\n";
    }
 
    //联合体的数据成员
    short int i;
    char ch[2];
};
 
int main()
{
    u_type u(1000);
    u_type u2('X','Y');
 
    //联合体中的数据可以被看作是短整形类型，也可以被看作是两个字符
    cout << " u as interger: ";
    cout << u.i << "\n";
    cout << " u as chars: ";
    u.showChars();
 
    cout << " u2 as interger: ";
    cout << u2.i << "\n";
    cout << " u2 as chars: ";
    u2.showChars();
}

上面程序的输出如下：

 u as interger: 1000

 u as chars: ・

 u2 as interger: 22872

 u2 as chars: X Y

正如程序输出的那样，使用u_type联合体，我们可以把同一个数据以两种方式来看待。

和结构体一样，联合体也是C++从语言C中继承而来的。然而在C语言中，联合体只能含有数据成员，而不能含有成员函数和构造函数。在C++中，联合体被扩展到了和类几乎有相同的能力。虽然C++为联合体提供了更多的功能，但是我们不一定非要使用到这些功能。通常情况下，联合体都是仅含有数据的。然而，在必要的时候，我们是可以为联合体增加函数来封装对其数据的处理。

在使用C++的联合体的时候有几个限制必须注意。其中大多是都和我们在本书后面要讨论的C++特性相关，这里仅是为了叙述的完整性而提一下。首先，联合体不能从类继承而来；其次，联合体也不能被继承。联合体不能含有虚的成员函数，也不能含有静态数据。联合体中也不能有引用成员，也不能含有任何重载了=运算符的成员。最后，有显示构造函数和析构函数的对象也不能作为联合体的成员。

匿名联合体

在C++中有一种特殊的联合体叫做匿名联合体。匿名联合体没有类型名称，也不能声明联合体类型的变量。实际上，匿名联合体告诉编译器它的成员变量是共享相同的内存位置的。然而你，这些联合体的成员变量时可以被直接饮用的，而不需要点号运算符。例如下面的程序：

//匿名联合体
#include <iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
    //定义匿名联合体
    union
    {
        long l;
        double d;
        char s[4];
    };
    
    //现在就可以直接引用联合体的数据成员了
    l = 100000;
    cout << l << " ";
    d = 123.2342;
    cout << d << " ";
    strcpy(s, "hi");
    cout << s;
    
    return 0;
}

正如我们所看到的那样，联合体的元素可以和普通的局部变量一样被直接引用。这个程序中演示的对匿名联合体使用方法就是我们实际中的使用方法。更进一步来说，尽管这些成员变量时声明在联合体中的，但是他们和其它的局部变量有着相同的作用域。这也就意味着，这些匿名联合体成员的名称不能和同一个作用域中其它标识符的名称冲突。

所以针对于联合体的限制也都适用于匿名联合体。除此之外，还有：第一，匿名联合体只能含有数据成员，而不能含有成员函数；第二，匿名联合体中不能含有私有的或者保护的成员；最后，全局的匿名联合体必须指定为是静态的。