7.6 函数和结构
为结构编写函数比为数组编写函数要简单得多。虽然结构变量和数组一样，都可以存储多个数据项，但在涉及到函数时，结构变量的行为更接近于基本的单值变量。也就是说，与数组不同，结构将其数据组合成单个实体或数据对象，该实体被视为一个整体。前面讲过，可以将一个结构赋给另外一个结构。同样，也可以按值传递结构，就像普通变量那样。在这种情况下，函数将使用原始结构的副本。另外，函数也可以返回结构。与数组名就是数组第一个元素的地址不同的是，结构名只是结构的名称，要获得结构的地址，必须使用地址运算符&。在C语言和C++中，都使用符号&来表示地址运算符；另外，C++还使用该运算符来表示引用变量，这将在第8章讨论。
使用结构编程时，最直接的方式是像处理基本类型那样来处理结构；也就是说，将结构作为参数传递，并在需要时将结构用作返回值使用。然而，按值传递结构有一个缺点。如果结构非常大，则复制结构将增加内存要求，降低系统运行的速度。出于这些原因（同时由于最初C语言不允许按值传递结构），许多C程序员倾向于传递结构的地址，然后使用指针来访问结构的内容。C++提供了第三种选择——按引用传递（将在第8章介绍）。下面介绍其他两种传递方式，首先介绍传递和返回整个结构。
7.6.1 传递和返回结构
当结构比较小时，按值传递结构最合理，下面来看两个使用这种技术的示例。第一个例子处理行程时间。有些地图指出，从Thunder Falls到Bingo城需要3小时50分钟，而从Bingo城到Gotesquo需要1小时25分钟，对于这种时间，可以使用结构来表示——一个成员表示小时值，另一个成员表示分钟值。将两个时间加起来需要一些技巧，因为可能需要将分钟值转换为小时。例如，前面列出的两个时间的总和为4小时75分钟，应将它转换为5小时15分钟。下面开发用于表示时间值的结构，然后再开发一个函数，它接受两个这样的结构为参数，并返回表示参数的和的结构。
定义结构的工作很简单：
struct travel_time
{
int hours;
int mins;
}
接下来，看一下返回两个这种结构的总和的sum()函数的原型。返回值的类型应为travel_time，两个参数也应为这种类型。因此，原型应如下所示：
travel_time sum(travel_time t1,travel_time t2);
要将两个时间相加，应首先将分钟成员相加。然后通过整数除法（除数为60）得到小时值，通过求模运算符（%）得到剩余的分钟数。程序清单7.11在sum()函数中使用了这种计算方式，并使用show_time()函数显示travel_time结构的内容。
程序清单7.11 travel.cpp
// travel.cpp -- 使用结构的函数
#include <iostream>
struct travel_time
{
int hours;
int mins;
};
const int Mins_per_hr = 60;
travel_time sum(travel_time t1, travel_time t2);
void show_time(travel_time t);
int main()
{
using namespace std;
travel_time day1 = {5, 45}; // 5 hrs, 45 min
travel_time day2 = {4, 55}; // 4 hrs, 55 min
travel_time trip = sum(day1, day2);
cout << "Two-day total: ";
show_time(trip);
travel_time day3= {4, 32};
cout << "Three-day total: ";
show_time(sum(trip, day3));
cin.get();
return 0;
}
travel_time sum(travel_time t1, travel_time t2)
{
travel_time total;
total.mins = (t1.mins + t2.mins) % Mins_per_hr;
total.hours = t1.hours + t2.hours +
(t1.mins + t2.mins) / Mins_per_hr;
return total;
}
void show_time(travel_time t)
{
using namespace std;
cout << t.hours << " hours, "
<< t.mins << " minutes\n";
}
其中，travel_time就像是一个标准的类型名，可以用来声明变量、函数的返回类型和函数的参数类型。由于total和t1变量是travel_time结构，因此可以对它们使用句点成员运算符。由于sum()函数返回travel_time结构，因此可以将其用作show_time()函数的参数。由于在默认情况下，C++函数按值传递参数，因此函数调用show_time(sum(trip,day3))将执行函数调用sum(trip,day3)，以获得其返回值。然后，show_time()调用将sum()的返回值（而不是函数自身）传递给show_time()。下面是该程序的输出：
Two-day total: 10 hours, 40 minutes Three-day total: 15 hours, 12 minutes
7.6.2 另一个处理结构的函数示例
前面介绍的有关函数和C++结构的大部分知识都可用于C++类中，因此有必要介绍另一个示例。这次要处理的是空间，而不是时间。具体地说，这个例了将定义两个结构，用于表示两种不同的描述位置的方法，然后开发一个函数，将一种格式转换为另一种格式，并显示结果。这个例子用到的数学知识比前一个要多，但并不需要像学习数学那样学习C++。
假设要描述屏幕上某点的位置，或地图上某点相对于原点的位置，则一种方法是指出该点相对于原点的水平偏移量和垂直偏移量。传统上，数学家使用x表示水平偏移量，使用y表示垂直偏移量。x和y一起构成了直角坐标（rectangular coordinates）。可以定义由两个坐标组成的结构来表示位置：
struct rect
{
double x; // 水平偏移量
double y; // 垂直偏移量
};
另一种描述点的位置的方法是，指出它偏离原点的距离和方向。传统上，数学家从正水平轴开始按逆时针方向度量角度。距离和角度一起构成了极坐标（polar coordinates）。可以定义另一个结构来表示这种位置：
struct polar
{
double distance; // 离开原点的距离
double angle; // 偏离原点的方向角度
};
下面来创建一个显示polar结构的内容的函数。C++库（从C语言借鉴而来）中的数学函数假设角度的单位为弧度，因此应以弧度为单位来测量角度。但为了便于显示，我们将弧度值转换为角度值。这意味着需要将弧度值乘以180/π一一约为57.29577951。该函数的代码如下：
// 显示极坐标，并将弧度转换为角度
void show_polar (polar dapos)
{
using namespace std;
const double Rad_to_deg = 57.29577951;
cout << "distance = " << dapos.distance;
cout << ", angle = " << dapos.angle * Rad_to_deg;
cout << " degrees\n";
}
请注意，形参的类型为polar。将一个polar结构传递绘该函数时，该结构的内容将被复制到dapos结构中，函数随后将使用该拷贝完成工作。由于dapos是一个结构，因此该函数便用成员运算符句点来标识结构成员。
接下来，让我们试着再前进一步，编写一个将直角坐标转换为极坐标的函数。该函数接受一个rect参数，并返回一个polar结构，这需要使用数学库中的函数，因此程序必须包含头文件cmath（在较旧的系统中为math.h）。另外，在有些系统中，还必须命令编译器载入数学库。可以根据勾股定理，使用水平和垂直坐标来计算距离：
distance = sqrt(x*x + y*y)
数学库中的atan2()函数可根据x和y的值计算角度：
angle = atan2 (y,x)
还有一个atan()函数，但它不能区分180度之内和之外的角度。
有了这些公式后，便可以这样编写该函数：
// 将直角坐标转换为极坐标
polar rect_to_polar(rect xypos)
{
using namespace std;
polar answer;
answer.distance =
sqrt( xypos.x * xypos.x + xypos.y * xypos.y);
answer.angle = atan2(xypos.y, xypos.x);
return answer; // 返回一个极坐标结构
}
编写好函数后，程序的其他部分编写起来就非常简单了。程序清单7.17列出了程序的代码。
程序清单7.12 strctfun.cpp
// strctfun.cpp -- 使用结构为参数的函数
#include <iostream>
#include <cmath>
// 结构声明
struct polar
{
double distance; // 离开原点的距离
double angle; // 偏离原点的方向角度
};
struct rect
{
double x; // 水平偏移量
double y; // 垂直偏移量
};
// 函数原型
polar rect_to_polar(rect xypos);
void show_polar(polar dapos);
int main()
{
using namespace std;
rect rplace;
polar pplace;
cout << "Enter the x and y values: ";
while (cin >> rplace.x >> rplace.y) // slick use of cin
{
pplace = rect_to_polar(rplace);
show_polar(pplace);
cout << "Next two numbers (q to quit): ";
}
cout << "Done.\n";
return 0;
}
// 将直角坐标转换为极坐标
polar rect_to_polar(rect xypos)
{
using namespace std;
polar answer;
answer.distance =
sqrt( xypos.x * xypos.x + xypos.y * xypos.y);
answer.angle = atan2(xypos.y, xypos.x);
return answer; // 返回一个极坐标结构
}
// 显示极坐标，并将弧度转换为角度
void show_polar (polar dapos)
{
using namespace std;
const double Rad_to_deg = 57.29577951;
cout << "distance = " << dapos.distance;
cout << ", angle = " << dapos.angle * Rad_to_deg;
cout << " degrees\n";
}
下面是该程序的运行情况：
Enter the x and y values: 30 40 distance = 50, angle=53.1301 degrees Next two numbers(q to quit): -100 100 distance = 141.421 angle=135 degrees Next two numbers(q to quit):q
程序说明程序清单7.12中的两个函数已经在前面讨论了，因此下面复习一下该程序如何使用cin来控制while循环：
while (cin >> rplace.x >> rplace.y)
前面讲过，cin是istream类的一个对象。抽取运算符（>>）被设计成使得cin>>rplacc.x也是一个istream对象。正如第11章将介绍的，类运算符是使用函数实现的。使用cin>>rplace.x时，程序将调用一个函数，该函数返回一个istream值。将抽取运算符用于cin>>rplace.x对象（就像cin>>rplace.x>>rplace.y这样），也将获得一个istream对象。因此，整个while循环的测试表达式的最终结果为cin，而cin被用于测试表达式中时，将根据输入是否成功，被转换为bool值true或false。例如，在程序清单7.12中的循环中，cin期望用户输入两个数字，如果用户输入了q（前面的输出示例就是这样做的），cin>>将知道q不是数，从而将q留在输入队列中，并返回一个将被转换为fasle的值，导致循环结束。
请将这种读取数字的方法与下面更为简单的方法进行比较：
for(int i = 0;i < limit; i++)
{
cout<<"Enter value#”<< (i+1) << ":";
cin>>temp;
if（temp < 0）
break;
ar[i] = temp;
}
要提早结束该循环，可以输入一个负值。这将输入限制为非负值。这种限制符合某些程序的需要，但通常需要一种不会将某些数值排除在外的、终止循环的方式。将cin>>用作测试条件消除了这种限制，因为它接受任何有效的数字输入。在需要使用循环来输入数字时，别忘了考虑使用这种方式。另外请记住，非数字输入将设置一个错误条件，禁止进一步读取输入。如果程序在输入循环后还需要进行输入，则必须使用cin.clear()重置输入，然后还可能需要通过读取不合法的输入来丢弃它们。程序清单7.7演示了这些技术。
7.6.3 传递结构的地址
假设要传递结构的地址而不是整个结构以节省时间和空间，则需要重新编写前面的函数，使用指向结构的指针。首先来看一看如何重新编写show_polar()函数。需要修改三个地方：
- 调用函数时，将结构的地址（&pplace）而不是结构本身（pplace）传递给它；
- 将形参声明为指向polar的指针，即polar *类型。由于函数不应该修改结构，因此使用了const修饰符；
- 由于形参是指针而不是结构，因此应间接成员运算符（->），而不是成员运算符（句点）。
完成上述修改后，该函数如下所示：
void show_polar (const polar * pda)
{
using namespace std;
const double Rad_to_deg = 57.29577951;
cout << "distance = " << pda->distance;
cout << ", angle = " << pda->angle * Rad_to_deg;
cout << " degrees\n";
}
接下来对rect_to_polar进行修改。由于原来的rect_to_polar函数返回一个结构，因此修改工作更复杂些。为了充分利用指针的效率，应使用指针，而不是返回值。为此，需要将两个指针传递给该函数，第一个指针指向要转换的结构，第二个指针指向存储转换结果的结构。函数不返回一个新的结构，而是修改调用函数中已有的结构。因此，虽然第一个参数是const指针，但第二个参数却不是。也可以像修改函数show_polar()修改这个函数。程序清单7.13列出了修改后的程序。
程序清单7.1.3 strctptr.cpp
// strctptr.cpp -- 使用结构指针为参数的函数
#include <iostream>
#include <cmath>
// 结构
struct polar
{
double distance; // 离开原点的距离
double angle; // 偏离原点的方向角度
};
struct rect
{
double x; // 水平偏移量
double y; // 垂直偏移量
};
// 函数原型
void rect_to_polar(const rect * pxy, polar * pda);
void show_polar (const polar * pda);
int main()
{
using namespace std;
rect rplace;
polar pplace;
cout << "Enter the x and y values: ";
while (cin >> rplace.x >> rplace.y)
{
rect_to_polar(&rplace, &pplace); // 传递地址
show_polar(&pplace); // 传递地址
cout << "Next two numbers (q to quit): ";
}
cout << "Done.\n";
return 0;
}
// 显示极坐标，并将弧度转换为角度
void show_polar (const polar * pda)
{
using namespace std;
const double Rad_to_deg = 57.29577951;
cout << "distance = " << pda->distance;
cout << ", angle = " << pda->angle * Rad_to_deg;
cout << " degrees\n";
}
// 将直角坐标转换为极坐标
void rect_to_polar(const rect * pxy, polar * pda)
{
using namespace std;
pda->distance =
sqrt(pxy->x * pxy->x + pxy->y * pxy->y);
pda->angle = atan2(pxy->y, pxy->x);
}
从用户的角度来说，程序清单7.13的行为与程序清单7.12相同。它们之间的差别在于，程序清单7.12使用的是结构副本，而程序清单7.13使用的是指针，让函数能够对原始结构进行操作。
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