هياكل البيانات: الاتحادات Unions وحقول البتات Bitfields والمعددات Eums في لغة سي C

تطرقنا في المقال السابق إلى الهياكل وبعض الهياكل الشائعة، مثل الأشجار والقوائم المرتبطة، وننتقل الآن إلى الاتحادات وحقول البتات والمعددات ونتكلم عن استعمال وخصائص كل منها.

الاتحادات Unions

لن تستغرق الاتحادات Unions وقتًا طويلًا لشرحها، فهي تشابه الهياكل بفرق أنك لا تستخدم الكلمة المفتاحية struct بل تستخدم union، وتعمل الاتحادات بالطريقة ذاتها التي تعمل بها الهياكل structures بفرق أن أعضائها مُخزنون على كتلة تخزينية واحدة بعكس أعضاء الهياكل التي تُخزن على كتل تخزينية متفرقة متعاقبة، ولكن ما الذي يفيدنا هذا الأمر؟ تدفعنا الحاجة في بعض الأحيان إلى استخدام الهياكل بهدف تخزين قيم مختلفة بأنواع مختلفة وبأوقاتٍ مختلفة مع المحافظة قدر الإمكان على مساحة التخزين وعدم هدر الموارد؛ في حين يمكننا باستخدام الاتحادات تحديد النوع الذي ندخله إليها والتأكد من استرجاع القيمة بنوعها المناسب فيما بعد. إليك مثالًا عن ذلك:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

main(){
      union {
              float u_f;
              int u_i;
      }var;

      var.u_f = 23.5;
      printf("value is %f\n", var.u_f);
      var.u_i = 5;
      printf("value is %d\n", var.u_i);
      exit(EXIT_SUCCESS);
}

مثال 1

إذا أضفنا قيمةً من نوع float إلى الاتحاد في مثالنا السابق، ثم استعدناه على أنه قيمةٌ من نوع int، فسنحصل على قيمة غير معروفة، لأن النوعان يُخزنان على نحوٍ مختلف وأضف على ذلك أنهما من أطوالٍ مختلفة؛ فالقيمة من نوع int ستكون غالبًا تمثيل الآلة (الحاسوب) لبتات float منخفضة الترتيب، ولربما ستشكل جزءًا من قيمة float العشرية (ما بعد الفاصلة). ينص المعيار على اعتماد النتيجة في هذه الحالة على تعريف التطبيق (وليست سلوكًا غير معرفًا)، والنتيجة معرفةٌ من المعيار في حالة واحدة، ألا وهي أن يكون لبعض أعضاء الاتحاد هياكل ذات "سلسلة مبدئية مشتركة common initial sequence"، أي أن لأول عضو من كل هيكل نوع متوافق compatible type، أو من الطول ذاته في حالة حقول البتات bitfields، ويوافق اتحادنا الشروط التي ذكرناها، وبالتالي يمكننا استخدام السلسلة المبدئية المشتركة على نحوٍ تبادلي، يا لحظنا الرائع.

يعمل مصرّف لغة سي على حجز المساحة اللازمة لأكبر عضو ضمن الاتحاد لا أكثر (بعنوان مناسب إن أمكن)، أي لا يوجد هناك أي تفقد للتأكد من أن استخدام الأعضاء صائب فهذه مهمتك، وستكتشف عاجلًا أم آجلًا إذا فشلت في تحقيق هذه المهمة. تبدأ أعضاء الاتحاد من عنوان التخزين ذاته (من المضمون أنه لا يوجد هناك أي فراغات بين أيٍ من الأعضاء).

يُعد تضمين الاتحاد في هيكل من أكثر الطرق شيوعًا لتذكر طريقة عمل الاتحاد، وذلك باستخدام عضو آخر من الهيكل ذاته ليدل على نوع الشيء الموجود في الاتحاد. إليك مثالًا عمّا سيبدو ذلك:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* شيفرة للأنواع في الاتحاد */
#define FLOAT_TYPE      1
#define CHAR_TYPE       2
#define INT_TYPE        3

struct var_type{
      int type_in_union;
      union{
              float   un_float;
              char    un_char;
              int     un_int;
      }vt_un;
}var_type;

void
print_vt(void){

      switch(var_type.type_in_union){
              default:
                      printf("Unknown type in union\n");
                      break;
              case FLOAT_TYPE:
                      printf("%f\n", var_type.vt_un.un_float);
                      break;
              case CHAR_TYPE:
                      printf("%c\n", var_type.vt_un.un_char);
                      break;
              case INT_TYPE:
                      printf("%d\n", var_type.vt_un.un_int);
                      break;
      }
}

main(){

      var_type.type_in_union = FLOAT_TYPE;
      var_type.vt_un.un_float = 3.5;

      print_vt();

      var_type.type_in_union = CHAR_TYPE;
      var_type.vt_un.un_char = 'a';

      print_vt();
      exit(EXIT_SUCCESS);
}

مثال 2

يوضح المثال السابق أيضًا استخدام عامل النقطة للوصول إلى ما داخل الهياكل أو الاتحادات التي تحتوي على هياكل أو اتحادات أخرى بدورها، تسمح لك بعض مصرفات لغة سي الحالية بإهمال بعض الأجزاء من أسماء الكائنات المُدمجة شرط ألا يتسبب ذلك بجعل الاسم غامض، فعلى سبيل المثال يسمح استخدام الاسم الواضح var_type.un_int للمصرف بمعرفة ما تقصده، إلا أن هذا غير مسموح في المعيار.

لا يمكن مقارنة الهياكل بحثًا عن المساواة فيما بينها ويقع اللوم على الاتحادات، إذ أن احتمالية احتواء هيكل ما على اتحاد يجعل من مهمة المقارنة مهمةً صعبة، إذ لا يمكن للمصرّف أن يعرف ما الذي يحويه الاتحاد في الوقت الحالي مما لا يسمح له بإجراء عملية المقارنة. قد يبدو الكلام السابق صعب الفهم وغير دقيق بنسبة 100%، إذ أن معظم الهياكل لا تحتوي على اتحادات، ولكن هناك مشكلة فلسفية بخصوص القصد من كلمة "مساواة" عندما نُسقطها على الهياكل. بغض النظر، تمنح الاتحادات عذرًا مناسبًا للمعيار بتجنبه لأي مشاكل بواسطة عدم دعمه لمقارنة الهياكل.

حقول البتات Bitfields

دعنا نلقي نظرةً على حقول البتات بما أننا نتكلم عن موضوع هياكل البيانات، إذ يمكن تعريفها فقط بداخل هيكل أو اتحاد، وتسمح لك حقول البتات بتحديد بعض الكائنات الصغيرة بحسب طول بتات محدد، إلا أن فائدتها محدودةٌ ولا تُستخدم إلا في حالات نادرة، ولكننا سنتطرق إلى الموضوع بغض النظر عن ذلك. يوضح لك المثال استخدام حقول البتات:

struct {
      /* كل حقل بسعة 4 بتات */
      unsigned field1 :4;
      /*
       * حقل بسعة 3 بتات دون اسم
       * تسمح الحقول عديمة الاسم بالفراغات بين عناوين الذاكرة
       */
      unsigned        :3;
      /*
       * حقل بسعة بت واحد
       * تكون قيمته 0 أو 1- في نظام المتمم الثنائي
       */
      signed field2   :1;
      /* محاذاة الحقل التالي مع وحدة التخزين */
      unsigned        :0;
      unsigned field3 :6;
}full_of_fields;

مثال 3

يمكن التلاعب والوصول إلى كل حقل بصورةٍ منفردة وكأنه عضو اعتيادي من هيكل ما، وتعني الكلمتان المفتاحيتان signed وunsigned ما هو متوقع، إلا أنه يجدر بالذكر أن حقلًا بحجم 1 بت ذا إشارة سيأخذ واحدةً من القيمتين 0 أو ‎-1 وذلك في آلة تعمل بنظام المتمم الثنائي، ويُسمح للتصريحات بأن تحتوي المؤهلين const أو volatile.

تُستخدم حقول البتات بشكل رئيس إما للسماح بتحزيم مجموعة من البيانات بأقل مساحة، أو لتحديد الحقول ضمن ملفات بيانات خارجية. لا تقدم لغة سي أي ضمانات بخصوص ترتيب الحقول بكلمات الآلة التي تعمل عليها، لذا إذا كنت تريد استخدام حقول البتات للهدف الثاني، فسيصبح برنامجك غير قابل للتنقل ومعتمدًا على المصرّف الذي يصرف البرنامج أيضًا. ينص المعيار على أن الحقول مُحزّمة بما يدعى "وحدات تخزين"، التي تكون عادةً كلمات آلة. يُحدّد ترتيب التحزيم وفيما إذا كان سيتجاوز حقل البتات حاجز التخزين أم لا بحسب تعريف التطبيق، ونستخدم حقلًا بعرض صفر قبل الحقل الذي تريد تطبيق الحد عنده لإجبار الحقل على البقاء ضمن حدود وحدة التخزين.

كن حذرًا عند استخدام حقول البتات، إذ يتطلب الأمر شيفرة وقت تشغيل run-time طويلة للتلاعب بهذه الأشياء، وقد ينتج ذلك بتوفير الكثير من المساحة (أكثر من حاجتك).

ليس لحقول البتات أي عناوين، وبالتالي لا يمكنك استخدام المؤشرات أو المصفوفات معها.

المعددات enums

تقع المُعدّدات enums تحت تصنيف "منجزة جزئيًا"، إذ ليست بأنواع مُعددة بصورٍ كاملة مثل لغة باسكال، ومهمتها الوحيدة هي مساعدتك في التخفيف من عدد تعليمات ‎#define في برنامجك، إليك ما تبدو عليه:

enum e_tag{
      a, b, c, d=20, e, f, g=20, h
}var;

يمثل e_tag الوسم بصورةٍ مشابهة لما تكلمنا عنه في الهياكل والاتحادات، ويمثل var تعريفًا للمتغير.

الأسماء المُعلنة بداخل المُعدد ثوابت من نوع int، إليك قيمها:

a == 0
b == 1
c == 2
d == 20
e == 21
f == 22
g == 20
h == 21

تلاحظ أنه بغياب أي قيمة مُسندة للمتغيرات، تبدأ القيم من الصفر تصاعديًا، ويمكنك إسناد قيمة مخصصة إنذا أردت في البداية، إلا أن القيم التي ستتزايد بعدها ستكون من نوع عدد صحيح ثابت integral constant (كما سنرى لاحقًا)، وتُمثّل هذه القيمة بنوع int ومن الممكن أن تحمل عدة أسماء القيمة ذاتها.

تُستخدم المُعدّدات للحصول على إصدار ملائم للنطاق Scope بدلًا من استخدام ‎#define على النحو التالي:

#define a 0
#define b 1
/* وهكذا دواليك */

إذ يتبع استخدام المعددات لقوانين نطاق لغة سي C، بينما تشمل تعليمات ‎#define كامل نطاق الملف.

قد لا تهمك هذه المعلومة، ولكن المعيار ينص على أن أنواع المعددات من نوع متوافق مع أنواع الأعداد الصحيحة بحسب تعريف التطبيق، لكن ما الذي يعنيه ذلك؟ لاحظ المثال التالي:

enum ee{a,b,c}e_var, *ep;

تسلك الأسماء a و b و c سلوك الأعداد الصحيحة الثابتة int عندما تستخدمها، و e_var من نوع enum ee و ep مؤشر يشير إلى المعدد ee. تعني متطلبات التوافقية بين الأنواع (بالإضافة لمشكلات أخرى) أن هناك نوع عدد صحيح ذو عنوان يمكن إسناده إلى ep من غير خرق أي من متطلبات التوافقية بين الأنواع للمؤشرات.

المؤهلات والأنواع المشتقة

تعد المصفوفات والهياكل والاتحادات "مشتقةٌ من derived from" (أي تحتوي) أنواعٍ أخرى، ولا يمكن لأي ممّا سبق أن تُشتق من أنواع غير مكتملة incomplete types، وهذا يعني أنه من غير الممكن للهيكل أو الاتحاد أن يحتوي مثالًا من نفسه، لأن نوعه غير مكتمل حتى ينتهي التصريح عنه، وبما أن المؤشر الذي يشير إلى نوع غير مكتمل ليس بنوع غير مكتمل بذات نفسه فمن الممكن استخدامه باشتقاق المصفوفات والهياكل والاتحادات.

لا ينتقل التأهيل إلى النوع المُشتق إن كان أي من الأنواع التي اشتُق منها تحتوي على مؤهلات مثل const أو volatile، وهذا يعني أن الهيكل الذي يحتوي على كائن ذو مؤهل ثابت const لا يجعل من الهيكل بنفسه مؤهلًا بهذا المؤهل، ويمكن لأي عضو غير ثابت أن يُعدّل عليه بداخل الهيكل، وهذا ما هو متوقع، إلا أن المعيار ينص على أن أي نوع مشتق يحتوي على نوع مؤهل باستخدام const (أو أي نوع داخلي تعاودي) لا يمكن التعديل عليه، فالهيكل الذي يحتوي الثابت لا يمكن وضعه على الطرف الأيسر من عامل الإسناد.

ترجمة -وبتصرف- لقسم من الفصل Structured Data Types من كتاب The C Book.