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Programación en C++/Estructuras

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Estructuras de datos

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Las estructuras de datos se emplean con el objetivo principal de organizar los datos contenidos dentro de la memoria del ordenador. Así, nuestra primera experiencia con estructuras comienza desde el momento mismo en que usamos en nuestros programas variables de tipos primitivos (char, short, int, float, etc). A la memoria del ordenador se le puede considerar como un gran bloque compuesto por una serie de BYTES dispuestos secuencialmente uno detrás de otro. por ejemplo, si un ordenador posee una memoria de 128MB (128 megas) entonces se le puede leer o escribir desde el BYTE 0 hasta el BYTE 128MB - 1 ( 0000000H .. 7FFFFFFH )


La idea de ver la memoria como un serie de bytes es buena, sin embargo no es suficiente ya que en la misma podemos guardar números, cadenas de caracteres, funciones, objetos, etc. de tal manera que surge la necesidad de establecer los mecanismos adecuados para dar cuenta de la forma, tamaño y objetivo de los datos almacenados. Según el tipo de microprocesador, estos tienen la capacidad para manipular o direccionar estructuras compuestas por uno, dos, cuatro, etc, bytes; de donde se derivan los tipos que comunmente se conocen como: BYTE, WORD, DWORD, QWORD y TWORD.


La estructura mínima de información manipulable en un sistema de computación es el BIT el cual se agrupa normalmente en bloques de 8 para formar un BYTE. Cabe mencionar que los BITS no son direccionables directamente, sino a través de compuertas AND, OR, NOT, XOR, las cuales en C y C++ se escriben como &, |, ~ y ^, conocidos como "Bitwise operators" u "Operadores de manipulación de bits".


En C,C++ existe una serie de estructuras básicas o tipos primitivos, los cuales pueden ser usados por el programador para declarar variables, y también son el fundamento sobre el cual se crean estructuras complejas. El tamaño de los tipos primitivos no es estándar ya que los mismos dependen de factores tales como:

  • Tipo del microprocesador
  • El compilador

Sin embargo, en la actualidad, la mayoria de compiladores de C y C++ soportan los siguientes tipos con la longitud indicada:

Estructuras básicas en C, C++

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Tipos primitivos
Nombre común Nombre C Longitud Procesador 64 bits
BYTE char 8 bits 8 bits
WORD short 16 bits 16 bits
DWORD int 32 bits 32 bits
DWORD long 32 bits 64 bits
DWORD float 32 bits 32 bits
QWORD double 64 bits 64 bits
TWORD long double 80 bits 128 bits


Nota: en el lenguaje C,C++ existe el operador sizeof(), con el cual se puede obtener el tamaño (número de bytes) ocupados por un tipo específico. Por ejemplo, sizeof(int) regresa el número de bytes ocupados por los datos de tipo int.

Variables

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En C, C++ la sintaxis para declarar variables es:

tipo id1 [, id2 ...] ;


donde, tipo se refiere a uno de los tipos mostrados en la tabla anterior; id1 es el nombre con el cual se identificará a la variable. Observe que si se quiere declarar más de una variable en una línea de instrucción, las mismas deben separarse por medio de una coma.

Ejemplos: 

char c; // La variable c es una variable char
int i; // La variable i es una variable int
float f; // La variable f es una variable float
int x,y,z; // Las variables x,y,z son todas variables int, y declaradas a la vez


De acuerdo con la tabla anterior y según las instrucciones anteriores, con la primera, o sea ( char c;), se le está indicando al ordenador que reserve en la memoria un espacio de tipo char (8 bits) y que el mismo será identificado bajo el nombre de c. La segunda instrucción ( int i;) le indica al ordenador que reserve en la memoria un espacio de tipo int (16 bits) y que el mismo será identificado bajo el nombre de i. Luego, la instrucción ( float f;) le indica al ordenador que reserve en la memoria un espacio de tipo float (32 bits) y que el mismo será identificado bajo el nombre de f. Por último, se le indica al compilador que reserve espacio para otras tres variables enteras identificadas como: x, y, z. Así, se puede dar cuenta cómo los tipos primitivos sirven con el propósito de estructurar los datos dentro de la memoria y con la idea de referirnos a los mismos mediante nombres usamos identificadores de variables. .

Matrices o Arreglos

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Una Matriz (en inglés, array, también denominado arreglo) es una estructura usada para agrupar bajo un mismo nombre
listas de datos de un mismo tipo.

El tipo de matriz puede ser cualquiera, sin embargo cada componente tiene que ser del mismo tipo. En C estándar solamente da soporte para matrices estáticas, mientras que con C++ se pueden crear matrices dinámicas pudiendo usar la librería estándar de plantillas (STL).

Matrices estáticas

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Una matriz estática es una estructura cuyo tamaño es determinado en tiempo de compilación, es decir, una vez establecido el tamaño de la matriz ésta no podrá cambiarse durante el tiempo de ejecución. En C, C++ para declarar un arreglo estático de datos se emplea la sintaxis:

tipo identificador[ [tamaño] ] [ = { lista de inicialización } ] ;

donde,

  • tipo se refiere al tipo de datos que contendrá la matriz. El tipo puede ser cualquiera de los tipos estándar (char, int, float, etc.) o un tipo definido por el usuario. Es más, el tipo de la matriz puede ser de una estructura creada con: struct, union y class.
  • identificador se refiere al nombre que se le dará a la matriz.
  • tamaño es opcional e indica el número de elementos que contendrá la matriz. Si una matriz se declara sin tamaño, la misma no podrá contener elemento alguno a menos que en la declaración se emplee una lista de inicialización.
  • lista de inicialización es opcional y se usa para establecer valores para cada uno de los componentes de la matriz. Si la matriz es declarada con un tamaño especifíco, el número de valores inicializados no podrá ser mayor a dicho tamaño.

Ejemplos: 

int intA[5];
long longA[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
char charA[] = { 'a', 'b', 'c' };

Acceso a los miembros de una matriz de datos:

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En orden de acceder a los miembros de una matriz se debe indicar el nombre de la matriz seguido de dos corchetes, dentro de los cuales se debe especificar el índice del elemento deseado. Se debe aclarar que los índices son números o expresiones enteras y que en C, C++ estos tienen un rango permitido de 0 a T-1 ( T = tamaño de la matriz ).

Ejemplos: dadas las matrices intA, charA, longA ( ejemplo anterior ) 

intA[0] = 100; // establece el valor del elemento 0 de intA a 100.

charA[3] = 'O'; // establece el valor del elemento 3 de charA a 'O'.

cout << longA[0]; // muestra por pantalla el elemento 0 de longA, que es longA[0].

Matrices dinámicas

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Una matriz dinámica es una estructura compleja y, ya que C estándar no da el soporte para operar con estos tipos de estructuras, le corresponde al programador crear los algoritmos necesarios para su implementación. Crear lista dinámicas de datos en C estándar no es una tarea para programadores inexpertos, ya que para lograr tal objetivo se necesita tener conocimentos solidos acerca de los punteros y el comportamiento de los mismos. Los usuarios de C++ pueden auxiliarse de la librería estándar de plantillas, conocidas por sus siglas en ingles como STL.

Estructuras compuestas (struct, union, class)

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Con base en los tipos básicos mostrados arriba, se pueden crear nuevos tipos con estructuras compuestas por uno o más de uno de los tipos mencionados. En C, C++ en orden de crear nuevas estructuras se emplean la palabras reservadas struct, union y class.

  • struct: esta orden se emplea para agrupar variables de tipos iguales o diferentes en un solo registro, con la misma se pueden crear estructuras anónimas, estructuras con nombre, y un tipo especial de estructura conocida como bit-fields ( banderas o campos de bits ).
  • union: una union es similar a una struct, salvo que en una estructura creada con union los campos o variables comparten una dirección de almacenamiento común.
  • class: una clase es una estructura en donde se agrupan variables y funciones, la misma es usada en Programación Orientada al Objeto. Las clases no son soportadas por el C estándar.
Nota: tanto las estructuras como las uniones y las clases pueden ser anónimas, pero lo más
recomendable es darle a las mismas un nombre. Si una estructura, union o clase posee
nombre, esta pueden ser empleadas para declarar variables de la misma y, lo más importante,
puede ser usada para el paso de parámetros a funciones.

Sintaxis general: struct 

struct [ <nombre tipo de estructura > ] {
    [ <tipo> <nombre-variable[, nombre-variable, ...]> ] ;
    [ <tipo> <nombre-variable[, nombre-variable, ...]> ] ;
    ...
    } [ <variables de estructura> ] ;

Nota: recuerde que lo que se muestra entre corchetes es opcional.


struct: Sintaxis ( variación uno, estructura anónima )

De acuerdo con la sintaxis general de la orden struct es posible crear estructuras de datos anónimas. Solamente hay que tener en cuenta que en una declaración anónima se debe definir al menos una variable al final de la declaración. Por ejemplo, con el siguiente fragmento de código: 

struct { int a, b; } p1;

se declara y define la variable estructurada p1, misma que se compone por los miembros a y b; ambos del tipo int. Ahora bien, la sintaxis mostrada arriba no es tan común ni conveniente, ya que con la misma solamente se esta creando una variable estructurada pero no un nuevo tipo. Es decir, si desearamos tener otra variable que tuviera las mismas caracteristicas que posee la variable p1, necesitariamos escribir exactamente la misma instrucción, salvo que cambiando el nombre de la variable. Por ejemplo: 

struct { int a, b; } p2;

Por supuesto, en una misma línea de instrucción podemos definir más de una variable. Ejemplo: 

struct { int a, b; } p1, p2;

Entonces, para crear nuevos tipos con struct deberemos de modificar la sintaxis mostrada en los ejemplos anteriores.


Sintaxis: struct ( variación dos, estructura con nombre )

Observe que, la sintaxis para declarar estructuras con nombre es bastante parecida a la sintaxis para declarar estructuras anónimas; salvo que en una declaración de estructura con nombre se debe especificar el nombre deseado para la misma. Además, en una declaración de estructura con nombre la o las variables definidas al final de la misma son opcionales.

Ejemplos: 

struct pareja { int a, b; } p1;

En el fragmento de código anterior se declara la estructura identificada como pareja, misma que se compone de los miembros a y b, ambos de tipo int. En el mismo ejemplo, se define la variable p1; la cual es una variable estructurada de tipo pareja.

Una vez que una estructura con nombre ha sido creada, la misma puede ser usada para declarar cualquier número de variables. Por ejemplo, en el siguiente fragmento de código se crea la estructura tiempo compuesta por los miembros hora, minuto y segundo; todos del tipo int. En el mismo ejemplo, se declaran las variables t1 y t2. 

/* declaración de estructura tiempo */
struct tiempo { int hora, minuto, segundo; };

/* declaración de variables de tipo tiempo */
struct tiempo t1, t2;

Nota: en C++ puede obviarse la palabra struct a la hora de declarar variables. Así, en C++ la línea de instrución struct tiempo t1, t2; ( del ejemplo anterior) puede escibirse como: tiempo t1, t2;

Acceso a los miembros de una estructura

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En orden de poder leer o escribir uno de los miembros de una variable estructurada, se debe usar el operador de acceso ( . ); o sea, el nombre de la variable seguida por un punto seguido por el nombre del miembro o componente deseado de la estructura. Por ejemplo, para acceder a los miembros de la variable t1 (mostrada arriba) podemos hacerlo de la siguiente manera: 

t1.hora = 12;
t1.minuto = 0;
t1.segundo = 0;

printf ("%i\n", t1.hora);
cout << t1.minuto << endl;

Estructuras anidadas

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Los miembros de una estructura pueden ser ellos mismos, otra estructura previamente identificada, o bien una estructura anónima. Por ejemplo, en el siguiente fragmento de código, se crean las estructuras pareja y pareja2. Obsérvese cómo dentro de los miembros de pareja2, se declara el miembro X, que a su vez es una estructura del tipo pareja. Luego, las variables declaradas a raíz de la estructura pareja2 poseerán los miembros variables a y b heredados de pareja, y c. 

struct pareja { int a, b ; };
struct pareja2 { struct pareja X; int c; } P3;

Ahora bien, para acceder a los miembros de una estructura dentro de otra estructura se emplea el mismo mecanismo de acceso (el punto). Por ejemplo, para desplegar el miembro a de la variable P3 declarada en el ejemplo anterior, lo haremos más o menos así: 

printf( "%i\n", P3.X.a );

Herencia

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El término herencia se usa con gran frecuencia en Programación Orientada a Objetos, y se le relaciona principalmente con las clases. Sin embargo, la herencia está presente siempre y cuando una estructura "struct", "union" o "class" posea a otra estructura. En ese sentido, en C++ se presentan dos tipos de herencia:

  • herencia por agregación o composición.
  • herencia por extensión.

Por ejemplo, en la definición de las estructuras pareja y pareja2 del ejemplo anterior, se dice que pareja2 hereda por composición todos los miembros de pareja. Ahora, en el siguiente ejemplo se usa la sintaxis para que la estructura pareja2 herede por extensión los miembros de pareja: 

// solo C++
struct pareja { int a, b ; };
struct pareja2 : pareja { int c; } P3;

Con esta forma de herencia, la estructura pareja2 hereda de pareja los miembros a y b, y además agrega un miembro c. Y a diferencia del ejemplo anterior, para acceder a alguno de sus miembros heredados, basta con utilizar el mecanismo de acceso (el punto). 

// solo C++
cout << P3.a << P3.b ;

Estructura de campos de bits

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Un campo de bit es un elemento de una estructura definido en terminos de bits. Usando un tipo especial de definición de struct, se pueden declarar elementos de estructura con rangos de 1 a 16 de largo (dependiendo de la arquitectura de la PC y del compilador, el rango para una estructura de campos de bits puede ser de 1 a 16, 1 a 32, 1 a 64).

Antes de ver un ejemplo del uso de struct para crear estructuras de campos de bits, consideremos el caso en donde se tiene una variable del tipo short (16 bits) y que para la misma se desea que los bits tengan significados específicos. Digamos que el primer bit servirá para controlar alguna condición; los siguientes cuatro bits, o sea del segundo al quinto bit, controlarán otra condición; el bit 6 tendrá otra función; y el resto, o sea del séptimo al decimosexto bit se emplearán para controlar otra condición. De tal manera que si queremos, por ejemplo, saber si el primer bit de la variable tiene almacenado un 1 o un 0, podemos emplear la siguiente sintaxis: 

int X = 123;
int r = X & 1;

la cosa parece sencilla, pero ahora consideremos el caso en el cual deseamos saber cual es el valor contenido por el grupo de bits ( segundo al quinto ), entonces nos daremos cuenta que no basta con una prueba mediante AND ( X & 1 ), sino que hay que realizar otros pasos.

Precisamente, para problemas como el planteado arriba es por los que los lenguajes C y C++ soportan las estructuras de campos de bits. Por ejemplo, la estructura 

struct campo_de_bit {
	int bit_1 : 1;
	int bits_2_a_5 : 4;
	int bit_6 : 1;
	int bits_7_a_16 : 10;
	} bit_var;


corresponde a la siguiente colección de campos bits:


 


El mecanismo de estructuras de campos de bits soportado por C,C++ es una herramienta útil y poderosa, sobre todo en programación de bajo nivel; ya que mediante el mismo es posible aislar y dar nombres a todos y cada uno de los bits de un dato, y también crear en un mismo campo grupos de bits (como se mostró arriba). Ahora bien, no hay que olvidar que la estructura mínima de información en un sistema de memoria de un PC es el bit, y que para aislar a cada uno de estos se puede emplear el operador AND ( &, en C ), pero mediante el mecanismo mencionado el compilador genera los algoritmos necesarios para llevar a cabo el aislamiento de los bits. Por ejemplo, para escribir y leer bit identificado como bit_1 de la variable bit_var del ejemplo anterior, podemos emplear las siguientes instrucciones: 

bit_var.bit_1 = 1;
printf("%i\n", bit_var.bit_1 );


Nota: acerca de las estructuras de campos de bits hay que aclarar que, aunque cada uno de los campos de la estructura pueden declararse como enteros con signo o enteros sin signo, la misma no tendrá una longitud mayor a un entero largo.

union: Sintaxis general

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union [ <nombre tipo de union > ] {
    <tipo> <lista de variables>;
    } [ <variables de union> ] ;


  • De la misma manera que con la orden struct, con la orden union se pueden crear estructuras con nombre y estructuras sin nombre.
  • El mecanismo de acceso a los miembros de una union es igual al mecanismo de acceso a los miembros de una struct.
  • Los miembros de una union comparten un espacio de almacenamiento común.
  • En una union, el compilador reserva el espacio de almacenamiento para la misma de acuerdo con el tipo de la variable de mayor tamaño.


Ejemplo: union anónima 

union { short a; long b; } u1;


En el ejemplo anterior se declara la variable u1, la cual es una estructura tipo union. El espacio de almacenamiento para la variable a es compartido por la variable b, en consecuencia, al escribir sobre cualquiera de estas dos variables se altera el contenido de ambas.


Ejemplo: union con nombre 


union ux { short a; long b; } u1;


En el ejemplo anterior se declara la variable u1, la cual es una estructura tipo union. El espacio de almacenamiento para la variable a es compartido por la variable b. Es decir, el compilador reservará espacio en la memoria para la variable de mayor tamaño (que para éste caso es b ). Ahora bién, suponiendo que en su equipo el tipo long ocupa 32 bits y que el tipo short ocupa 16 bits, entonces la variable a ocupará solamente los 16 bits menos significativos, mientras que la variable b ocupará todo el espacio, o sea los 32 bits; Observe que en la sintaxis se ha especificado el nombre ux, mismo que puede ser empleado para declarar cualquier número de variables de la union. Por ejemplo, a continuación se declaran las variables u2 y u3 del tipo union ux creado en el ejemplo anterior. 

union ux u2, u3;

class: sintaxis

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<classkey> <classname> [<:baselist>] { <member list> } [lista de variables] ;
  • <classkey> es una de las palabras "class", "struct", o "union".
  • <baselist> lista de clas(es) base de donde se deriva esta clase. <baselist> es opcional.
  • <member list> declara los datos miembros y funciones miembros de la clase.
  • [lista de variables] esta entrada es opcional y se usa para instanciar variables u objetos de esta clase.


Nota: Dentro de una clase,

  • los datos son llamados "datos miembros"
  • las funciones son llamadas "funciones miembros".
  • El mecanismo para acceder a los miembros de una class es igual que aquel utilizado para acceder a los miembros de una struct


Las clases son algo así como "super" estructuras capaces de agrupar no solo datos miembros sino también funciones miembros. En el lenguaje común a los datos miembros de una clase se les conoce como atributos; mientras que a las funciones miembros de una clase se les llama métodos. Normalmente, los métodos se emplean para leer o escribir los atributos. Es decir, la norma general es no permitir el acceso directo a los atributos de una clase, con la idea de aumentar la seguridad de los datos.

En seguida se mostrará el código para crear la clase Pareja, misma que poseerá los atributos a y b, y los métodos setA(), setB(); getA(), getB(), y mostrar(); 

class Pareja {
	int a, b;
public:
	void setA(int n) { a = n; }
	void setB(int n) { b = n; }
	int getA() { return a; }
	int getB() { return b; }
	void mostrar() {
		cout << "a = " << a << "; b = " << b << endl;
	}
} p1;


Nota: por omisión, los miembros de una clase son privados, lo cual significa que los objetos instanciados de dicha clase no tendrán acceso a los mismos. Así, en el ejemplo anterior se está creando la clase Pareja, y al mismo tiempo el objeto p1. Luego, para leer o escribir los atributos de p1 se debe hacer a traves de los métodos definidos con tal objetivo. Por ejemplo, con el siguiente fragmento de código se establecen respectivamente a 100 y a 200 los atributos a y b; y posteriormente se despliegan por medio del método mostrar(). 

p1.setA(100);
p1.setB(200);
p1.mostrar();

struct vs. class

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Esta sección no pretende enseñar que el uso de la palabra struct es lo mismo que usar la palabra class. Sin embargo, como ya se mencionó en una sección anterior a esta, las estructuras (struct) pueden extenderse de otras y heredar todos los miembros de la estructura base. Otro punto que se demostrará aquí es el hecho de que las estructuras en C++ (no en C estándar) pueden contener miembros funciones. Por supuesto, el compilador trata a una struct de una forma diferente que a una class. Entre algunas de las diferencias que se pueden mencionar respecto a las estructuras contra las clases son:

  • Los miembros de una struct son públicos por defecto, mientras que los miembros de una class son privados por defecto.
  • Los parámetros-argumentos struct se pasan normalmente por copia, los parámetros-argumentos class se pasan normalmente por referencia.
// Este programa ha sido probado en Dev-C++, Borland C++ y Code::Blocks

#include <iostream>

using namespace std;

// estructura tipo clase base
struct Par {
    
    int a, b;

    // constructor base
    Par() { a = b = 0; }

    // destructor base
    ~Par() { cout << "hecho..." << endl; }

    void setA(int n) { a = n; }
    void setB(int n) { b = n; }

    void mostrar() {
        cout << "a = " << a << ", b = " << b << "; suma = " << a+b << endl;
    }
};

// estructura tipo clase hija
// ParHijo es una extensión de Par, y por lo tanto hereda los miembros de Par
struct ParHijo : Par {

    // constructor del hijo
    ParHijo(int a, int b) {
    this->a = a;
    this->b = b;
    }
};


// prueba
void test00() {
    ParHijo p1(100, 200); // p1 es instancia de ParHijo
    p1.mostrar();         // se envía mensaje al método mostrar() de p1
}

// funcion principal
int main()
{
    test00();
    cin.get();
    return 0;
}
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