Il linguaggio C Le strutture Le unioni Le liste concatenate Allocazione dinamica Creazione e aggiunta di un nuovo elemento alla lista Inserimento e cancellazione di elementi La ricerca di un elemento Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 1 Le strutture Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 2 Introduzione Gli array sono uno strumento adeguato per il trattamento di insiemi di variabili di uno stesso tipo Quando i tipi di dati, che devono essere logicamente aggregati, sono distinti, è necessario usare il tipo struttura (o record) L’ulteriore tipo composto unione consente di interpretare il contenuto delle stesse locazioni di memoria con modalità diverse (è la realizzazione del concetto di record a lunghezza variabile) Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 3 Le strutture 1 Esempio: Supponiamo di voler memorizzare, relativamente a ciascun abitante di un dato comune, nome e cognome, data di nascita e codice fiscale: Nome e cognome costituiscono un array di caratteri La data è composta da tre numeri interi, che descrivono giorno, mese ed anno Il codice fiscale è un array di 16 caratteri (15 per il codice ed uno per il carattere nullo di terminazione) Le informazioni non possono essere collezionate in un unico array di caratteri, perché sono disomogenee Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 4 Le strutture 2 Possibile soluzione: memorizzare le informazioni in variabili distinte char name[20], fiscode[16]; short day, month, year; Le informazioni relative ad una persona sono sparse per la memoria Un’organizzazione più naturale consiste nella definizione di una variabile che contenga tutti i dati relativi ad una persona: utilizzando un tipo struttura Una struttura è simile ad un array, ma è costituita da campi (piuttosto che da elementi) che sono identificati da nomi (piuttosto che da indici) e possono contenere informazione di tipo diverso Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 5 Le strutture 3 Esempio struct vitalstat { char vs_name[20], vs_fiscode[16]; short vs_day, vs_month, vs_year; }; struct vitalstat vs; L’allocazione della struttura vs sulla macchina di riferimento presuppone che i campi siano memorizzati consecutivamente, nell’ordine in cui sono dichiarati, ma non necessariamente in maniera contigua Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 Vi sono due dichiarazioni: la prima contiene lo schema della struttura vitalstat, la seconda dichiara una variabile vs di tipo struct vitalstat Nota: includere un prefisso nei nomi dei campi, per distinguerli da campi di strutture diverse vs_name[] vs_fiscode[] vs_day[] vs_year[] vs_month[] 6 Le strutture 4 Il nome vitalstat è un’etichetta (o tag) e struct vitalstat rappresenta un nuovo tipo di dati definito dall’utente, per il quale non viene riservata memoria L’etichetta può essere utilizzata ogni volta che è necessario creare ulteriori variabili che contengono gli stessi campi struct vitalstat vsa[1000], *pvs; pvs &vsa[10]; La sintassi della dichiarazione di una struttura può assumere diverse forme: Dichiarazione dell’etichetta e uso dell’etichetta (insieme alla parola chiave struct) per definire le variabili Uso di typedef per definire un particolare tipo struttura Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 7 Le strutture 5 Il tipo VITALSTAT rappresenta l’intera struttura, compresa la parola chiave struct typedef Il nome di tipo è scritto struct maiuscolo, per distinguerlo dai { nomi di etichette e variabili char vs_name[20], vs_fiscode[16]; Un’etichetta o un typedef consentono di definire una sola volta lo schema di una struttura, per dichiarare variabili del tipo struttura quando necessario short vs_day, vs_month, vs_year; } VITALSTAT; Le dichiarazioni di struttura sono normalmente raggruppate in file header, così da poter essere accedute da più file sorgente Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 8 L’inizializzazione delle strutture Una struttura può essere inizializzata facendo seguire al nome della variabile di tipo struttura il simbolo di uguale e la lista dei valori iniziali racchiusi tra parentesi graffe Ogni valore iniziale deve essere dello stesso tipo del corrispondente campo della struttura VITALSTAT vs {“Marco Rossi”, “MRCRSS89C23D612K”, 23, 3, 1989 }; Un valore iniziale non può essere incluso in una dichiarazione che contiene solo un’etichetta o un typedef, poiché tali dichiarazioni definiscono lo schema della struttura, ma non riservano memoria typedef struct { int a; float b; } s {1, 1.0}; /* non ammesso */ Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 9 L’accesso ai campi della struttura Esistono due modalità diverse di accesso ai campi di una struttura, dipendenti dalla modalità di accesso alla struttura, diretta o mediante puntatore Nel caso di accesso diretto alla struttura, si usano il nome della struttura ed il nome del campo, separati dall’operatore punto “.” Nel caso di accesso tramite puntatore alla struttura, si usa l’operatore freccia destra “>”, formato dalla concatenazione del segno meno e del simbolo maggiore vs.vs_day 23; vs.vs_month 3; vs.vs_year 1989; VITALSTAT *pvs; ……… pvs>vs_day 23; pvs>vs_month 3; pvs>vs_year 1989; L’operatore > è una forma abbreviata per accedere all’indirizzo contenuto nel puntatore e quindi applicare l’operatore punto pvs>vs_day Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 è equivalente a (*pvs).vs_day 10 Gli array di strutture Gli array di strutture vengono dichiarati facendo precedere al nome dell’array il nome typedef della struttura include “v_stat.h” /* file header che contiene la dichiarazione typedef VITALSTAT */ int agecount(vsa, size, low_age, high_age, current_year) VITALSTAT vsa[]; int size, low_age, high_age, current_year; { int age, count0; VITALSTAT *pvsa, *p_last&vsa[size]; for (; p<p_last; p) { agecurrent_year p>vs_year; if ((age > low_age) && (age < high_age)) count; } return count; Esempio: Funzione che calcola il numero di persone con età compresa in un intervallo specificato Le variabili locali p e p_last sono state introdotte per mantenere invariato il valore del parametro formale vsa (che altrimenti potrebbe essere usato direttamente nel ciclo) } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 11 Le strutture innestate 1 Una struttura innestata è una struttura in cui almeno uno dei campi è, a sua volta, una struttura Le strutture innestate sono comuni in C perché consentono di creare gerarchie di dati typedef struct { char vs_name[20], vs_fiscode[16]; struct vs_birth_date { short vs_day; short vs_month; short vs_year; }; } VITALSTAT; Per identificare l’anno di nascita in una struttura vs dichiarata VITALSTAT, si deve scrivere typedef struct { char day; char month; short year; } DATE; typedef struct { char vs_name[20], vs_fiscode[16]; DATE vs_birth_date; } VITALSTAT; vs.vs_birth_date.vs_year Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 12 Le strutture innestate 2 Una struttura innestata viene inizializzata racchiudendo i valori iniziali fra parentesi graffe typedef struct { DATE d; char event[20]; } CALENDAR; CALENDAR holiday {{25, 12, 2009}, “Natale”}; Non esistono limiti al numero di livelli di nesting delle strutture, anche se i riferimenti agli elementi diventano sempre più difficili da leggere perché contengono i nomi di tutte le strutture intermedie Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 13 Le strutture contenenti puntatori a sé stesse 1 Le strutture e le unioni non possono contenere istanze di sé stesse, ma possono contenere puntatori a sé stesse struct s { int a, b; float c; struct s *pointer_to_s; }; Il compilatore consente di dichiarare un puntatore ad una struttura prima che sia stata dichiarata la struttura Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 14 Le strutture contenenti puntatori a sé stesse 2 Il riferimento in avanti a strutture (e unioni) è uno dei pochi casi nel linguaggio C in cui un identificatore può essere utilizzato prima di essere dichiarato Il riferimento in avanti non è ammesso con la definizione di tipo (typedef) typedef struct neg { int a; FOO *p; /* errato perché FOO non * è ancora stato dichiarato */ } FOO; Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 15 L’allineamento dei campi delle strutture 1 Alcune architetture (come i processori Motorola) richiedono che ogni oggetto di dimensioni superiori ad un char venga memorizzato in locazioni di memoria con indirizzo pari I problemi di allineamento non sono normalmente visibili al programmatore, ma possono creare spazi vuoti all’interno delle strutture Allocazione senza restrizioni di allineamento struct align_examp { char mem1; short mem2; char mem3; } s1; mem1 1000 mem2 1001 mem3 1003 Allocazione con restrizioni di allineamento mem1 1000 mem3 mem2 spazio vuoto 1001 1002 spazio vuoto 1004 Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 16 L’allineamento dei campi delle strutture 2 Gli spazi vuoti vengono eliminati da una redistribuzione delle dichiarazioni degli elementi struct align_examp { char mem1, mem3; short mem2; } s1; Poiché le strutture possono essere memorizzate in modi diversi sui diversi calcolatori, è necessario accedervi con modalità portabili L’allineamento naturale (tutti gli oggetti di 2 byte iniziano da indirizzi pari, gli oggetti di 4 byte a indirizzi divisibili per quattro, etc.) è il requisito più stringente imposto dai calcolatori Se la struttura è allineata in modo naturale è portabile Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 17 Il passaggio di strutture come parametri di funzione 1 Esistono due modalità per passare strutture come argomenti di funzione: Passaggio della struttura vera e propria, per valore Passaggio di un puntatore alla struttura, per indirizzo VITALSTAT vs; ……… func1(vs); /* Passaggio per valore */ ……… func2(&vs); /* Passaggio per indirizzo */ Il passaggio per indirizzo è più efficiente perché solo il puntatore viene copiato nell’area di memoria degli argomenti, mentre il passaggio per valore richiede la copia dell’intera struttura Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 18 Il passaggio di strutture come parametri di funzione 2 Le strutture dovrebbero essere passate per valore solo se… …la struttura è molto piccola (di dimensione paragonabile al puntatore) …è necessario garantire che la funzione chiamata non ne alteri il contenuto originale In dipendenza della modalità di passaggio prescelta, occorre dichiarare il parametro all’interno della funzione come struttura o come puntatore a struttura func1(vs) VITALSTAT vs; /* l’argomento è * una struttura */ func2(pvs) VITALSTAT *pvs; /* l’argomento è un * puntatore a * struttura */ La scelta della modalità di passaggio dei parametri struttura definisce gli operatori da impiegare all’interno della funzione chiamata (il punto se la struttura è passata per valore, la freccia destra se è passata per indirizzo) Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 19 Il passaggio di strutture e di array come parametri di funzione 1 Le modalità per il passaggio di strutture e di array come parametri di funzione non sono omogenee Per passare un array, si specifica il solo nome dell’array senza indici: il compilatore interpreta il nome come un puntatore al primo elemento dell’array, che viene passato per indirizzo Non è possibile passare un array per valore, se non includendolo in una struttura passata per valore Per le strutture, il nome viene interpretato come l’intera struttura Applicando la stessa sintassi si ottiene una semantica diversa int ar[100]; struct tag st; ……… funcv(ar); /* viene passato un puntatore al primo elemento di ar[] */ ……… funcs(st); /* viene passata l’intera struttura */ Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 20 Il passaggio di strutture e di array come parametri di funzione 2 La stessa inconsistenza si riproduce anche all’interno delle funzioni Le due versioni basate su array sono equivalenti: funcv(ar) int ar[]; /* ar viene convertito in puntatore ad intero */ funcv(ar); int *ar; /* ar è un puntatore ad intero */ Le due versioni basate su strutture non lo sono: funcs1(st) struct tag st; /* st è una struttura completa */ funcs2(st); struct tag *st; Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 /* st è un puntatore a struttura */ 21 Strutture restituite da funzioni 1 Le funzioni possono restituire strutture o puntatori a strutture La dichiarazione del tipo di dato restituito da una funzione deve essere concorde con il valore effettivamente restituito Generalmente, è preferibile restituire puntatori a strutture per motivi di efficienza Se si restituisce un puntatore a struttura, la struttura deve avere durata fissa, perché altrimenti non sarebbe più accessibile al termine della funzione La restituzione di strutture è particolarmente utile quando si voglia comunicare all’esterno più di un valore Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 22 Strutture restituite da funzioni 2 include <stdio.h> include <math.h> define TOO_LARGE 100 /* dipendente dalla macchina */ define NULL (void *) 0 typedef struct { double sine, cosine, tangent; } TRIG; TRIG *get_trigvals(radian_val) double radian_val; { static TRIG result; /* se radian_val è troppo grande, i valori sin, cos, tan non sono significativi */ if (radian_val > TOO_LARGE) { printf(“Valore di ingresso troppo grande”); return NULL; } result.sine sin(radian_val); result.cosine cos(radian_val); result.tangent tan(radian_val); return (&result); } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 23 L’assegnamento di strutture Lo standard ANSI consente di assegnare una struttura ad una variabile struttura dello stesso tipo struct { int a; float b; } s1, s2, sf(), *ps; ……… s1 s2; s2 sf(); ps &s1; s2 *ps; ……… Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 24 Le unioni Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 25 Le unioni 1 Le unioni consentono agli elementi di sovrapporsi l’uno sull’altro per condividere la stessa area di memoria Esempio: typedef union { struct { char c1, c2; } s; long j; float x; } U; 1000 1001 c1 c2 1002 1004 j x Il compilatore riserva sempre una quantità di memoria sufficiente all’elemento più grande e tutti gli elementi iniziano allo stesso indirizzo Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 26 Esempio sulle unioni 1 I dati viaggiano sulla linea un byte alla volta; le unioni consentono di raggruppare i byte in modo tale che possano essere ricostruiti nella loro forma originale Sia get_byte() una funzione che restituisce un singolo byte prelevato da un dispositivo di comunicazione Un valore double a otto byte può essere estratto dal dispositivo mediante otto chiamate successive alla funzione get_byte() Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 27 Esempio sulle unioni 2 union doub { char c[8]; double val; }; double get_double() { extern char get_byte(); int j; union doub d; for (j0; j<8; j) d.c[j] get_byte(); return d.val; } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 I caratteri ricevuti vengono memorizzati in elementi successivi di c[ ]: il valore del numero double si ottiene accedendo al campo val dell’unione L’accesso ai campi di un’unione non ha impatto alcuno sui bit contenuti in memoria (non si effettuano conversioni di tipo): il compilatore interpreta in modo diverso gli stessi bit 28 Le liste concatenate Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 29 Allocazione dinamica Finora, per gestire insiemi di dati, sono stati utilizzati array (di strutture) Tale approccio è valido se si conosce a priori il numero di elementi che si devono gestire Viceversa, l’utilizzo di array può essere estremamente oneroso, perché rende necessaria l’allocazione di una quantità di memoria sufficiente a memorizzare il caso peggiore: Parte della memoria può andare sprecata (perché inutilizzabile per scopi diversi) Non è possibile accedere ad una quantità di memoria maggiore di quella allocata inizialmente La soluzione consiste nell’allocare memoria in modo dinamico, con malloc() o calloc() che, tuttavia, non garantiscono la contiguità fisica per elementi logicamente contigui e nell’utilizzare liste concatenate Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 30 Le liste concatenate 1 Il modo più comune per garantire la contiguità logica di strutture allocate dinamicamente è l’uso delle liste concatenate In una lista concatenata, ogni struttura contiene un elemento aggiuntivo che punta alla struttura successiva typedef struct vitalstat { char vs_name[20], vs_fiscode[16]; unsigned int vs_day, vs_month, vs_year; struct vitalstat *next; } VITALSTAT; Lista concatenata semplice Dati Dati Dati Dati Esistono liste semplici e liste doppiamente concatenate, in cui ogni struttura possiede due puntatori, rispettivamente all’elemento precedente ed al successivo Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 31 Le liste concatenate 2 Le operazioni che si effettuano sulle liste sono: Creazione di un elemento Aggiunta di un elemento alla fine della lista Inserimento di un elemento in una lista Cancellazione di un elemento da una lista Ricerca di un elemento in una lista Tutte le operazioni, tranne la ricerca, sono indipendenti dal contenuto informativo delle strutture e possono essere formulate in modo generale Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 32 La creazione di un elemento 1 Per creare un elemento di una lista, è sufficiente riservare memoria per la struttura e restituire un puntatore all’area allocata include “v_stat.h” include <stdlib.h> Alloca la memoria ad un elemento della lista, ma non lo collega alla lista stessa ELEMENT *create_list_element() { ELEMENT *p; p (ELEMENT *) malloc(sizeof(ELEMENT)); if (p NULL) { printf(“create_list_element: malloc non riuscita. \n”); exit(1); } p > next NULL; return p; } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 33 La creazione di un elemento 2 Note: Il nome ELEMENT rende la funzione indipendente dal tipo di dati effettivamente gestiti Per utilizzare la funzione create_list_element() in relazione alla struttura vitalstat, è necessario includere nel file v_stat.h (che contiene la definizione del tipo struttura) le ulteriori dichiarazioni: define NULL (void *) 0 typedef struct vitalstat ELEMENT; ELEMENT diviene un sinonimo di struct vitalstat Per dichiarare il puntatore occorre usare un’etichetta invece di un typedef: è la sola modalità con cui una struttura può fare riferimento a sé stessa, dato che il nome di typedef non è definito fino al termine della dichiarazione Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 34 L’aggiunta di un nuovo elemento 1 include “v_stat.h” static ELEMENT *head; void add_element(e) ELEMENT *e; { ELEMENT *p; /* se il primo elemento (testa) non esiste, viene creato */ if (head NULL) { head e; return; } /* altrimenti, trova l’ultimo elemento della lista */ for (p head; p>next ! NULL; p p>next) ; /* istruzione vuota */ p > next e; } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 La variabile head è un puntatore all’inizio della lista ed è dichiarata con ambito di visibilità a livello di file, per renderla disponibile a più funzioni Nel ciclo for, la scansione della lista è basata sul controllo del valore di p->next: se è diverso da NULL, esiste un elemento successivo, altrimenti è stata raggiunta la fine della lista 35 L’aggiunta di un nuovo elemento 2 L’assegnamento p>next e; aggiunge una nuova struttura alla fine della lista L’argomento e della funzione è un puntatore alla struttura che è stata allocata dalla funzione chiamante Esempio: Creare una lista concatenata di dieci strutture vitalstat include “v_stat.h” static ELEMENT *head; main() { for (j0; j<10; j) add_element(create_list_element()); } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 36 L’inserimento di un elemento Per inserire un elemento in una lista concatenata, deve essere specificata la posizione in cui deve avvenire l’inserimento q prima q dopo q>next include “v_stat.h” void insert_after(p,q) /* inserimento di p dopo q */ ELEMENT *p, *q; { /* controllo di validità degli argomenti */ if ((p NULL)) || (q NULL) || (p q) || (q>next p)) { printf(“insert_after: argomenti errati.\n”); return; } p > next q >next; q > next p; } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 q>next>next p 37 La cancellazione di un elemento 1 Per la cancellazione di un elemento da una lista concatenata, occorre individuare l’elemento che precede quello da eliminare per riallacciare i puntatori della lista dopo l’eliminazione Inoltre, è necessario utilizzare la funzione free() per rilasciare la memoria dell’elemento eliminato p goner p>next>next prima p p>next dopo Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 38 La cancellazione di un elemento 2 include “v_stat.h” static ELEMENT *head; void delete_element(goner) ELEMENT *goner; { ELEMENT *p; if (goner head) head goner>next; else { for (p head; (p ! NULL) && (p>next ! goner); p p>next) ; /* istruzione vuota */ if (p NULL) { printf(“delete_element: elemento non contenuto nella lista.\n”); return; } p > next p>next>next ; } free(goner); } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 L’operatore freccia destra ha associatività sinistra e pertanto l’espressione p>next>next viene valutata come (p>next)>next 39 La ricerca di un elemento La funzione di ricerca di un elemento della lista viene fatta in base al contenuto di uno o più campi della struttura Esempio: Funzione che ricerca, fra strutture di tipo vitalstat, un elemento per cui il valore del campo name coincida con l’argomento della funzione include “v_stat.h” include <string.h> static ELEMENT *head; Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 ELEMENT *find(aname) char *aname; { ELEMENT *p; for (p head; p ! NULL; p p>next) if (strcmp(p>vs_name, aname) ) return p; return NULL; 40 } Costruzione di una lista ordinata 1 /* ** Letta in input una sequenza di numeri interi la ** memorizza in una lista in ordine crescente. ** */ #include <stdlib.h> #include <stdio.h> /* * struttura per la rappresentazione dei nodi della lista */ struct nodo { int info; struct nodo *next; }; Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 /* * Funzione principale. */ main(void) { struct nodo *primo; primo leggi_lista_ordinata(); stampa_lista(primo); exit(0); } 41 Costruzione di una lista ordinata 2 /* * Legge una sequenza di numeri interi e li memorizza in * una lista ordinata (in ordine crescente). * Restituisce il puntatore al primo elemento della lista. while ((p1 ! NULL) && (p1->info < p->info)) { prec p1; p1 p1->next; */ struct nodo *leggi_lista_ordinata(void) { struct nodo *p, *p1, *primo, *prec; int i, n, num; } if (prec ! NULL) prec->next p; else primo p; p->next p1; primo = NULL; printf(“Inserire numero di elementi: ”); scanf(“%d”, &n); for (i0; i<n; i) { scanf(“%d”, &num); p malloc(sizeof(struct nodo)); p->info num; } return(primo); } p1 primo; prec NULL; Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 42 Costruzione di una lista ordinata 3 /* * Stampa la lista, a partire dall’elemento puntato dal * puntatore p, ricevuto come parametro. */ void stampa_lista(p) struct nodo *p; { while (p ! NULL) { printf(“%d ---> ”, p->info); p p->next; } printf(“NULL\n”); return; } Fondamenti di Informatica I a.a. 2008-09 43