Свои структуры: struct – Спецкурс

В задаче про молекулярную динамику каждая частица описывается шестью числами: две координаты, две составляющие скорости, две составляющие ускорения. Частиц сто.

Можно завести шесть списков по сто элементов: x, y, vx, vy, ax, ay. Работать будет. Но частицы как отдельной вещи в программе не окажется: она размазана по шести спискам, и любое действие с ней – добавить, удалить, передать в функцию – приходится делать шесть раз подряд.

MolecularDynamics: описание частицы

struct Particle {
    double x, y;
    double vx, vy;
    double ax, ay;
};

Что это такое

struct – это свой собственный тип, склеенный из нескольких величин. После этих четырёх строк слово Particle можно писать ровно там же, где float или int.

Величины внутри называются полями. Обращаются к ним через точку:

Particle p;
p.x = 1.0;
p.vx = 0.5;
double speed = sqrt(p.vx * p.vx + p.vy * p.vy);

Точка с запятой после закрывающей фигурной скобки обязательна – это единственное место в C++, где она стоит после скобки. Забыть её легко, а сообщение компилятора при этом получается совершенно загадочным и указывает на следующую строку.

Список своих объектов

std::vector<Particle> prtcls;

// доступ: сначала номер частицы, потом поле
prtcls[i].x  += prtcls[i].vx * dt;
prtcls[i].vx += prtcls[i].ax * dt;

Запись prtcls[i].x читается слева направо: «взять частицу номер i, у неё поле x».

Главная выгода видна не в формулах, а там, где частица участвует целиком. Добавить новую частицу в шести списках – это шесть вызовов, и все шесть надо не забыть:

x.push_back(1.0);   y.push_back(2.0);
vx.push_back(0.0);  vy.push_back(0.0);
ax.push_back(0.0);              // про ay забыли

Теперь списки разной длины, и ay[99] читает то, чего нет. Со структурой добавление – одна строка, забыть нечего:

prtcls.push_back(p);

То же самое с передачей в функцию: kinetic_energy(prtcls[i]) вместо шести аргументов, и с добавлением новой величины – скажем, массы. В структуре это одна строка double m;, а в шести списках – седьмой список, который надо не забыть создать, заполнить и почистить везде, где обрабатываются остальные.

Когда заводить структуру

Правило простое: если больше трёх величин описывают один объект – заводите структуру.

Примеры, где она уместна в задачах курса:

частица: координаты, скорость, ускорение;
планета: координаты, скорость, масса;
узел сетки: значения нескольких функций в точке.

А для двух-трёх величин структура – лишняя церемония. Маятник прекрасно описывается двумя переменными alpha и v, и заворачивать их некуда.

Функции со структурами

Структуру можно передавать в функцию, как любое другое значение:

double kinetic_energy(const Particle& p) {
    return 0.5 * (p.vx * p.vx + p.vy * p.vy);
}

Значок & означает «не копировать, а работать с самим объектом», а const – «менять его я не буду». Для одной частицы разница незаметна, но при передаче большого списка копирование стоит времени. Пока просто запомните эту запись – в задачах курса она встречается именно в таком виде.

На этом синтаксиса, нужного для чтения любой задачи курса, хватает. Осталось собрать всё вместе и написать свою вычислительную функцию с нуля.