10.4. Вариантные записи

Вариантные записи используются, когда во время выполнения необходимо интерпретировать значение несколькими разными способами. Ниже пере­числены распространенные примеры.

• Сообщения в системе связи и блоках параметров в вызовах операцион­ной системы. Обычно первое поле записи является кодом, значение ко­торого определяет количество и типы остальных полей в записи.

• Разнородные структуры данных, такие как дерево, которое может содер­жать узлы разных типов.

Чтобы решать проблемы такого рода, языки программирования представ­ляют новый класс типов, называемый вариантными записями, которые имеют альтернативные списки полей. Такая переменная может первоначально со­держать значение одного варианта, а позже ей может быть присвоено значе­ние другого варианта с совершенно другим набором полей. Помимо альтерна­тивных могут присутствовать поля, которые являются общими для всех запи­сей этого типа; такие поля обычно содержат код, с помощью которого программа определяет, какой вариант используется на самом деле. Предполо­жим, что мы хотим создать вариантную запись, поля которой могут быть или массивом, или записью:

typedef int Arr[10];

C

typedef struct {

float f1;

int i1;

}Rec;

Давайте сначала определим тип, который кодирует вариант:

C

typedef enum {Record_Code, Array_Code} Codes; 23

Теперь с помощью типа union (объединение) в С можно создать вариантную запись, которая сама может быть вложена в структуру, включающую общее поле тега, характеризующего вариант:

C

typedef struct {

Codes code; /* Общее поле тега */

union { /* Объединение с альтернативными полями */

Агг а; /* Вариант массива */

Rес г; /* Вариант записи */

} data;

} S_Type;

S_Type s;

С точки зрения синтаксиса это всего лишь обычная вложенность записей и массивов внутри других записей. Различие состоит в реализации: полю data выделяется объем памяти, достаточный для самого большого поля массива а или поля записи r (см. рис. 10.1). Поскольку выделяемая память рассчитана на самое большое возможное поле, вариантные записи могут быть чрезвычайно

неэкономны по памяти, если один вариант очень большой, а другие малень­кие:

union {

int a[1000];

C

float f;

char c;

}

Избежать этого можно ценой усложнения программирования — использовать указатель на длинные поля.

В основе вариантных записей лежит предположение, что в любой момент времени значимо только одно из полей объединения, в отличие от обычной записи, где все поля существуют одновременно:

if (s.code == Array_Code)

C

i = s.data.a[4]; /* Выбор первого варианта */

else

i = s.data.r.h ; /* Выбор второго варианта */

Основная проблема с вариантными записями состоит в том, что они потен­циально могут вызывать серьезные ошибки. Так как конструкция union по­зволяет программе обращаться к той же самой строке битов различными спо­собами, то возможна обработка значения одного типа, как если бы это было значение какого-либо другого типа (скажем, обращение к числу с плавающей точкой, как к целому). Действительно, программисты, пишущие на языке Pascal, используют вариантные записи, чтобы делать преобразование типов, которое в языке непосредственно не поддерживается.

В вышеупомянутом примере ситуация еще хуже, потому что возможно об­ращение к ячейкам памяти, которые вообще не содержат никакого значения: поле s.data.r могло бы иметь длину 8 байт для размещения двух чисел, а поле s.data.a — 20 байт для размещения десяти целых чисел. Если в поле s.data.r в данный момент находится запись, то s.data.a[4] не имеет смысла.

В Ada не разрешено использовать вариантные записи, чтобы не разрушать контроль соответствия типов. Поле code, которое мы использовали в приме­ре, теперь является обязательным полем, и называется дискриминантом, а при обращении к вариантным полям проверяется корректность значения дискри­минанта. Дискриминант выполняет роль «параметра» типа:

type Codes is (Record_Code, Array_Code);

Ada

type S_Type(Code: Codes) is

record

case Code is

when Record_Code => R: Rec;

when Array_Code => A: Arr;

end case;

end record;

а запись должна быть объявлена с конкретным дискриминантом, чтобы ком­пилятор точно знал, сколько памяти нужно выделить:

Ada

S1: S_Type(Record_Code);

S2: S_Type(Array_Code);

Другая возможность — объявить указатель на вариантную запись и проверять дискриминант во время выполнения:

I Ada type Ptr is access S_Type;

Ada

P: Ptr := new S_Type(Record_Code);

I:=P.R.I1; --Правильно

I:=P.A(5); -- Ошибка

Первый оператор присваивания правильный, поскольку дискриминант запи­си P.all — это Record_Code, который гарантирует, что поле R существует; в то же время второй оператор приводит к исключительной ситуации при работе программы, так как дискриминант не соответствует запрошенному полю.

Основное правило для дискриминантов в языке Ada заключается в том, что их можно читать, но не писать, так что нельзя обойти контроль соответствия типов. Это также означает, что память может выделяться в точном соответст­вии с выбранным вариантом, в отличие от обычного выделения для самого большого варианта.

Неограниченные записи в Ada

В дополнение к ограниченным записям, вариант которых при создании пе­ременной фиксирован, Ada допускает объявление неограниченных записей (unconstrained records), для которых допустимо во время выполнения безо­пасное с точки зрения контроля типов присваивание, хотя записи отно­сятся к разным вариантам:

S1, S2: S_Type; -- Неограниченные записи

S1 := (Record_Code, 4.5);

S2 := (Array_Code, 1..10 => 17);

S1 := S2; -- Присваивание S1 другого варианта

-- S2 больше, чем S1 !

Два правила гарантируют, что контроль соответствия типов продолжает работать:

• Для дискриминанта должно быть задано значение по умолчанию, чтобы гарантировать, что первоначально в записи есть осмысленный дискри­минант:

type S_Type (Code: codes: = Record_Code) is ...

• Само по себе поле дискриминанта не может быть изменено. Допустимо только присваивание допустимого значения всей записи, как показано в примере.

Существуют две возможные реализации неограниченных записей. Можно создавать каждую переменную с размером максимального варианта, чтобы помещался любой вариант. Другая возможность — неявно использовать динамическую память из кучи. Если присваиваемое значение больше по раз­мерам, то память освобождается и запрашивается большая порция. В боль­шинстве реализаций выбран первый метод: он проще и не требует нежела- тельных в некоторых приложениях неявных обращений к менеджеру кучи.