Langage C++/Structures, unions et champs de bits

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Structures, unions et champs de bits

Les structures existent en C++ uniquement pour la compatibilité ascendante et ne servent plus qu’à quelques cas spécifique comme les unions, les champs de bits et quelques applications matérielles mais même dans ces circonstances, il est possible de trouver des alternatives plus "Objet".

Le but principal de la structure était de regrouper et de mieux gérer les données qui avaient des affinités communes dans un langage qui ne disposait pas d'autres moyens (hormis l'énumération) pour organiser les données d'un programme.

Usuellement, les structures sont utilisées conjointement avec le mot clé "typedef". Cette écriture permet d’utiliser le casting et l'auto-référencement en est facilité.

En C++ la structure a été remplacée avantageusement par la classe mais nous verrons cela un peu plus tard.

Il existe trois catégories de structures :

• Les structures simples,
• Les unions,
• Les champs de bits.

Les Structures Simples

En C++ la structure simple a évolué pour suivre un modèle plus "orienté objet", désormais, il est possible et conseillé d'inclure les méthodes qui manipulent les données de la structure dans la structure elle-même. Chose qui était très lourd à faire en C. On pouvait bien créer un pointeur sur méthode mais cela n'était pas aussi trivial que ce que permet le C++.

Définition

Syntaxe:

typedef struct [<NomStructure>][: <StructureParente>]
{
     [[<Visibilite>:] <TypeChamp1> <NomChamp1>;]
     [...]
     [[<Visibilite>:] <TypeChampN> <NomChampN>;]
     [[<Visibilite>:] <TypeMethod1> <NomMethod1>(<ParametresMethod1>);]
     [...]
     [[<Visibilite>:] <TypeMethodN> <NomMethodN>(<ParametresMethodN>);]
}<NomTypeStructure>;

Où <NomStructure> (optionnel) est le nom interne de la structure, <StructureParente> (optionel) est le nom de la structure parente, <Visibilite> (optionel) déclare la visibilité des membres (parmi private, protected et public, par défaut : public), <TypeChamp1> est le type du premier champ ayant pour nom <NomChamp1>, <TypeChampN> est le type du dernier champ ayant pour nom <NomChampN>, <TypeMethod1> est le type de la première méthode <NomMethod1> ayant pour paramétrés <ParametresMethod1>, <TypeMethodN> est le type de la dernières méthode <NomMethodN> ayant pour paramètres <ParametresMethodN> et <NomTypeStructure> est le type de la structure

Début de l'exemple

Exemple

Dans "TestStruct.h"

#ifndef TESTSTRUCT_H
#define TESTSTRUCT_H

    typedef struct TestStruct; // Nécessaire uniquement pour l'auto-pointeur.

    typedef struct TestStruct // Nom de structure local nécessaire uniquement pour les méthodes non inlinées
    {
        private:
            TestStruct* aSuivant; // auto-pointeur
            int aValeurTest; // Valeur de test
        public:
            TestStruct(); // constructeur par défaut
            TestStruct(TestStruct* pSuivant); // Constructeur paramétré
            TestStruct(TestStruct& pCopie); // Constructeur par copie
            virtual ~TestStruct(); // Destructeur
            TestStruct* mSuivant(); // Accesseur en lecture pour aSuivant
            int mValeurTest(); // Accesseur en lecture pour aValeurTest
            void mValeurTest(int pNouvelleValeur); // Accesseur en écriture pour aValeurTest
    }TestStruct; // Nom du type

#endif // TESTSTRUCT_H

Dans "TestStruct.cpp"

#include "TestStruct.h"

TestStruct::TestStruct():aSuivant(0),aValeurTest(0)
{
    //ctor
}

TestStruct::TestStruct(TestStruct* pSuivant):aSuivant(pSuivant),aValeurTest(0)
{
    //ctor    
}

TestStruct::TestStruct(TestStruct& pCopie):aSuivant(pCopie.mSuivant()),aValeurTest(pCopie.mValeurTest())
{
    //ctor
}

TestStruct::~TestStruct()
{
    //dtor
}

TestStruct* TestStruct::mSuivant()
{
    return this->aSuivant; // retour de aSuivant
}

int TestStruct::mValeurTest()
{
    return this->aValeurTest; // retour de la valeur enregistrée
}

void TestStruct::mValeurTest(int pNouvelleValeur)
{
    if(this->aValeurTest != pNouvelleValeur) // Si la nouvelle valeur est bien différente de celle déjà enregistrée
    {
        this->aValeurTest = pNouvelleValeur; // Affectation de la nouvelle valeur.
    }
}

Dans "main.cpp"

#include "TestStruct.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    TestStruct* vA = new TestStruct(); // Construction d'une structure en tas
    vA->mValeurTest(9); // Attribution de la valeur 9 dans la variable test de vA
    TestStruct vB(vA); // Construction d'une structure en pile et assignation de vA comme suivant
    vB.mValeurTest(vB.aSuivant()->mValeurTest() - 1); // Affectation de 8 (= (9 de vA) - 1) dans la variable test de vB
    TestStruct vC(vB); // clonage de vB dans vC
    cout << "vA->" << vA << ":Suivant=" << vA->mSuivant() << ":ValeurTest=" << vA->mValeurTest();
    cout << "vB." << &vB << ":Suivant=" << vB->mSuivant() << ":ValeurTest=" << vB->mValeurTest();
    cout << "vC." << &vC << ":Suivant=" << vC->mSuivant() << ":ValeurTest=" << vC->mValeurTest();

    
    delete vA; // Destruction de vA
}

Fin de l'exemple

Alternative à la structure

En fait, je l'ai déjà dit, la structure a été avantageusement remplacée par la classe, déclarée par le mot clé class.

Les Unions

Les unions sont une forme de typage faiblement typé. Les unions ont été conservées du C pour compatibilité et ne correspondent pas à la philosophie d'un langage orienté objet.

Les unions permettent de créer des espaces mémoire où l’on peut interpréter une même donnée de différentes manières ou de diviser une même donnée en sous ensembles. En fait, une union déclare la disposition de tous ses membres en partant de la même adresse contrairement à la structure qui dispose ses membres les uns à la suite des autres.

Les unions ne sont pas à proprement parler des structures. Utilisées telles quelles, elles ne permettent pas l'héritage mais il existe un moyen de contourner cet obstacle. Il est possible de créer des unions non nommées, cela permet de déléguer la manipulation des membres directement à la portée supérieure. Sachant cela il suffit d'encapsuler une union dans une structure typée pour rendre l'héritage possible. Cela implique cependant qu’il sera impossible de créer un constructeur ou des méthodes non inlinées au niveau de l'union. Pour des raisons de lecture il sera donc préférable de déléguer la gestion des méthodes de l'union à la portée supérieure (soit la structure dans notre cas). Cela exige aussi que tous les attributs de l'union soient déclarés comme public.

Définition

Syntaxe:

typedef struct [<NomStructure>]
{
    private:
        union
        {
            public:
                [<TypeChamp1> <NomChamp1>;]
                [...]
                [<TypeChampN> <NomChampN>;]
        };
        [...]
}<NomTypeStructure>;

Où <NomStructure>(optionnel) est le nom interne de la structure d'accueil, <TypeChamp1> et <TypeChampN> sont les types des champs respectivement <NomChamp1> et <TypeChampN>, <NomTypeStructure> est le nom du type de la structure.

Début de l'exemple

Exemple

typedef struct TestUnion
{
    private:
        union                   // Ici l'union permet de lire le long ou d’utiliser sa valeur comme adresse d'une chaine.
        {                       // Ce genre d'union n’est pas très intéressante car il suffit de caster le long en char* 
                                // pour obtenir le même résultat et l'avantage sera la clarté du casting comparé à l'opacité
                                // de l'union.
            public:
                long Valeur;
                char* Chaine;
        };
        //....
}TestUnion;

Fin de l'exemple

Début de l'exemple

Exemple

typedef struct TestStruct
{
    short PoidFort;   
    short PoidFaible;
}TestStruct;

typedef struct TestUnion
{
    private:
        union                   // Ici l'union permet de lire l'int ou de lire que sa partie haute (TestUnion.Decoupe.PoidFort) ou
        {                       // sa partie basse(TestUnion.Decoupe.PoidFaible).
                                // Ce genre d'union est plus intéressante mais il est possible de faire mieux avec des classes 
                                // pour obtenir le même résultat et l'avantage sera la clarté des méthodes de classes encapsulant 
                                // les castings comparé à l'opacité de l'union.                                
            public:
                int Valeur;
                TestStruct Decoupe;
        };
        //....
}TestUnion;

Fin de l'exemple

Alternative à l'union

Comme je l'ai dit plus haut, une classe et ses méthodes qui encapsulent les castings sera plus claire et propre que de manipuler la même variable avec plusieurs noms différents.

Champs de bits

Les champs de bits (ou "Drapeaux" de l'anglais "Flags"), qui ont leur principale application en industrie, sont des structures qui ont la possibilité de regrouper au plus juste, dans un nombre d'octets moindre, plusieurs valeurs. Cela vient directement du monde de l'électronique. Il existe nombres d'exemples de ce fonctionnement dans l’industrie.

Cela dit, les champs de bits sont très fortement déconseillés car aucun standard C, C++ ne fixe les règles d'implémentations.

La norme ISO C++ 14 (ISO/IEC JTC1 SC22 WG21 N 3690) énonce ceci :

"Allocation of bit-fields within a class object is implementation-defined. Alignment of bit-fields is implementation-defined."

Cela signifie qu'aucune garantie n'est fournie en ce qui concerne l'alignement mémoire. certains compilateurs peuvent générer un exécutable demandant l'accès à deux cases mémoire simultanément. Si cela ne pose que des problèmes de performances sur Intel, d'autres processeurs peuvent générer une erreur d'accès non alignée à la mémoire (Cas des processeur Spark par exemple).

Cela signifie également que chaque compilateur peut implémenter le champ de bit à sa manière dans une classe (et donc par extension dans une structure). Deux compilateurs peuvent alors générer deux exécutables aux comportement différents à partir du même code source.

Cela est vrai surtout en cas de cast ou d'union permettant de d'accéder à un champ de bit comme un seul entier ou champ par champ. Dans ce cas, rien ne garantit l'ordre dans lequel seront accédés les champs de bit.

La tentation est trop forte pour ne pas faire une petite parenthèse sur le standard C (ISO/IEC 9899:201x) qui est encore plus explicitement permissif :

"An implementation may allocate any addressable storage unit large enough to hold a bit- field. If enough space remains, a bit-field that immediately follows another bit-field in a structure shall be packed into adjacent bits of the same unit. If insufficient space remains, whether a bit-field that does not fit is put into the next unit or overlaps adjacent units is implementation-defined. The order of allocation of bit-fields within a unit (high-order to low-order or low-order to high-order) is implementation-defined. The alignment of the addressable storage unit is unspecified."

Cela veut dire la même chose mais sans sous entendus.

Bref, voici un champ de bit :

Définition

Syntaxe:

typedef struct [<NomChampsBits>]
{
     <TypeChamp> [<NomChamp1>] : <NombresBits1>;
     [...]
     [<TypeChamp> [<NomChampN>] : <NombresBitsN>;]
}<NomTypeChampsBits>;

Où <NomChampsBits> est le nom interne des champs de bits(facultatif), <TypeChamp> est le type (ou taille totale) du champs de bit, [<NomChamp1>] et [<NomChampN>] sont les nom des sous-champs(facultatif), <NombresBits1> et <NombresBitsN> sont les taille des sous-champs, respectivement, [<NomChamp1>] et [<NomChampN>], <NomTypeChampsBits> est le nom du type donné au champs de bits

Début de l'exemple

Exemple

typedef struct
{
     unsigned short Jours : 5; // 0-31 soit de 1 à 31 
     unsigned short Mois : 4;  // 0-15 soit de 1 à 12
     unsigned short Annee : 7; // 0-127 soit de 0 à 99, (sans les siècles)

}Date;

Fin de l'exemple

Alternative aux champs de bits

À l'instar de l'union et de la structure, une classe et ses méthodes qui encapsulent les castings seront plus claires et propres que de manipuler plusieurs sous-noms différents d'une même variable.