Файл: «Понятие переменной в программировании. Виды и типы переменных».pdf

ГЛАВА 1 Теоретические аспекты исследования переменных в программировании

1.1 Понятие и типы переменных

Переменная — это именованная область памяти для хранения данных, которые могут изменяться в процессе исполнения программы.

Переменная характеризуется:

• Именем («обозначением ячейки памяти»)
• Значением (данными, содержащимися в переменной в конкретный момент времени)
• Типом (определяющим: а) какие значения может принимать переменная; б) какие операции можно производить с этими значениями; в) как данные представлены в памяти компьютера)

Имена и типы переменных указываются в разделе описаний и не могут изменяться в процессе выполнения программы.

Простые типы

Дискретные (можно перечислить возможные значения):

• целые (integer, longint)
• символьный (char)
• логический (boolean)
• диапазон (часть значений стандартного дискретного типа, например, 1..100)
• перечисляемый (явно перечислены все допустмые значения)

Вещественные (real, double, extended) — служат для представления действительных чисел с ограниченной точностью.

Структурированные типы

• Массив (фиксированное количество данных одного типа)
• Строка
• Запись (связанные данные, в общем случае, разных типов)
• Множество
• Файл (данные одного типа, хранящиеся на внешнем носителе)

var 
  имена переменных : тип;
...
  имена переменных : тип;

Например:

var 
  a, b, c: real;
  i, n: integer;
  f: boolean;

Для обмена информацией между компьютером, исполняющим программу, и пользователем служат операторы ввода и вывода (точнее, операторы вызова процедур ввода и вывода).

Оператор ввода нужен, чтобы компьютер получил исходные данные. В программе на Pascal он записывается следующим образом:

read(переменные);

или

readln(переменные);

При выполнении оператора программа будет приостановлена, пока пользователь не наберет на клавиатуре значения и не нажмет клавишу «Enter». Затем введенные значения будут помещены в переменные, указанные как параметры процедуры ввода. Например, при выполнении оператора

read(a, b);

компьютер будет ожидать ввода двух значений, которые затем будут помещены в переменные a и b.

---

Операторы read и readln отличаются тем, что во втором случае после ввода данных будет переведена строка, т.е. последующие сообщения компьютера будут выводиться с новой строки.

Оператор вывода нужен, чтобы компьютер показал результаты работы программы или какие-либо вспомогательные сообщения. В программе на Pascal он записывается следующим образом:

write(выражения);

или

writeln(выражения);

При выполнении оператора вычисляются значения выражений, после чего эти значения выводятся на экран монитора. Например, при выполнении оператора

write(a + b, c);

на экран будет выведена сумма переменных a и b, а также значение переменной c. Если нужно вывести на экран какое-либо текстовое сообщение, его нужно заключить в апострофы (одиночные кавычки):

write('Нет решения');

Операторы write и writeln отличаются тем, что во втором случае после вывода данных будет переведена строка, т.е. последующие сообщения компьютера будут выводиться с новой строки.

Для того чтобы переменная получила или изменила свое значение, используется оператор присваивания. В Pascal он записывается следующим образом:

переменная := выражение;

Тип переменной должен совпадать с типом выражения либо быть «более широким» совместимым (т.е. вещественной переменной можно присвоить значение целого выражения; строковой переменной можно присвоить значение символьного выражения).

Компьютер сначала вычисляет значение выражения в правой части оператора присваивания, затем помещает его в переменную, указанную слева от символа присваивания «:=».

Например, при выполнении оператора

x := a + b;

переменная x получит значение суммы переменных a и b. При выполнении оператора

n := n + 1

значение переменной n увеличится на единицу.

При присваивании переменной нового значения старое будет потеряно безвозвратно. Например, после выполнения операторов

a := b;

b := a;

обе переменные будут иметь одинаковые значения, равные тому, которое имела переменная b.

Рассмотрим, как составить простую программу, выполняющую какие-либо вычисления. Для этого нам нужно:

1. Проанализировав условие задачи, выделить исходные данные и результаты. Выбрать для них имена переменных (если они не заданы в условии). Определить тип данных.
2. Построить математическую модель задачи — описание в виде набора математических соотношений.
3. Разработать (или подобрать из известных) алгоритм решения задачи — последовательность действий, приводящую от исходных данных к результатам за конечное число шагов. (Не забудьте, что сначала компьютер должен получить значения исходных данных, а после нахождения результатов — вывести эти результаты на экран).
4. Если в процессе решения используются промежуточные данные, выбрать имена переменных и определить их тип.
5. Записать программу в соответствии с правилами синтаксиса языка программирования (в нашем случае — Pascal).

---

Рассмотрим простейший пример.

Задача

Разработать программу, вычисляющую длину окружности и площадь круга по известному радиусу.

Решение

1) Определим исходные данные и результаты задачи. В данном случае они явно указаны в условии: исходная величина — радиус, результаты — длина окружности и площадь круга. Используем для них традиционные обозначения: R, L и S, соответственно. Все эти переменные могут принимать как целые, так и дробные числовые значения, поэтому следует использовать вещественный тип данных, например, Real.

2) Математически задача описывается известными формулами:

L = 2 ⋅ π ⋅ R  
и S = π ⋅ R²   

3) Алгоритм в данном случае предельно прост:

1. Ввести значение радиуса.
2. Вычислить длину окружности по формуле [1].
3. Вычислить площадь круга по формуле [2].
4. Вывести значения длины окружности и площади круга на экран.

4) При вычислениях нам (точнее, компьютеру) потребуется значение π. Вообще говоря, практически все реализации Pascal имеют встроенную константу PI, но мы объявим подобную константу самостоятельно.

5) Теперь запишем программу:

program circle; { Имя программы можно выбирать произвольно }
{ В фигурных скобках записываем комментарии — этот текст компьютер пропускает }
  const p = 3.14159265358; { Объявление константы }
  var L, R, S: Real; { Все переменные одного тип }
begin
  write ('Введите величину радиуса:'); { Выводим на экран пояснение }
  readln (R); { Вводим значение и переходим на новую строку }
  L := 2 * p * R; { Операция умножения обязательно указывается! }
  S := p * R * R; { Можно записать S := p * sqr(R); }
  writeln ('L=', L:10:3, ' S=', S:10:3); { Выводим поясняющий текст }
  { и значения переменных. Для значений указан }
  { формат: всего 10 знаков, из них 3 — после точки. }
end.

1.2 Переменные в программировании

В программировании переменная (variable) это своего рода емкость для хранения данных. Когда информация записана в переменной (или по-другому, когда переменной присвоено значение), тогда эту информацию можно изменять, выводить в окне Web-броузера, посылать по электронной почте и т.д.

Переменная гибка:

• в ней можно хранить информацию;
• можно из неё извлекать информацию, что не повлияет на значение самой переменной;
• в неё можно записать новые данные.

---

Причем, эти действия можно выполнять практически сколько угодно раз. Из названия ясно, что переменная – вещь непостоянная. Например, в языке программирования PHP переменные существуют или содержат в себе значение исключительно во время работы скрипта. Как только завершается исполнение скрипта, так и существование переменных прекращается. То есть при переходе с одной страницы web-сайта на другую, переменных и их значений прежней страницы уже нет. Это кроме случаев, когда нужные значения специально передаются другой странице.

Переменные появились с первыми языками программирования. Результат работы любой программы сводится к выполнению действий над какими-либо данными. Напомним, что память (memory) – это последовательность байтов (byte), каждый из которых принимает значения от 0 до 255. Так как байтов неимоверно много, единственный способ различать их - это присвоение каждому из них порядкового номера. Так и есть. Каждый байт оперативной памяти доступен процессору через его порядковый номер. Этот порядковый номер называется адресом байта.

Во времена, когда программы писались на машинном коде, программист должен был запоминать в какой участок памяти он записал нужное значение. Представьте, как усложнялся процесс написания программы, когда возникала необходимость работы с несколькими значениями. Адрес байта памяти есть число, которое мало о чем говорит. Большой объем памяти создает трудности программисту.

С первыми языками программирования появилась полезная возможность связывания определенного участка оперативной памяти с символьным названием (набором символов). По сравнению с адресом название переменной может отражать содержимое этого участка памяти. Но имя переменной не единственная вещь, которая определяет переменную. Процессор может обрабатывать три вида данных: байт, слово и двойное слово[7;15].

(Термины «слово» и «двойное слово» здесь используются в узкоспециальном смысле, отражая собой размер участка памяти, выделенного под переменную.) Поэтому определение вида переменной в языках нижнего и среднего уровней происходит обычно указанием типа переменной. Эти два свойства переменной (название и тип) определяют нужный участок памяти и способ его использования. В большинстве случаев именно тип переменной определяет сколько байтов памяти захватит переменная. Например, переменной типа BYTE присвоено имя A. Процессор по названию переменной (А) определяет её место в памяти и при извлечении значения этой переменной воспользуется командой, предназначенной для извлечения байта (не слова и не двойного слова).

---

В общем случае, переменная – это поименованный участок оперативной памяти, используемый для временного хранения данных. В зависимости от языка программирования, объявление переменной может сопровождаться указанием его типа. Обычно в языках высокого уровня тип не указывается. Синтаксические различия между языками проявляются как раз в объявлении переменных. В C и C++ необходимо указывать тип, в PHP используется префикс $.

В современном мире программирования программист должен знать не только имя и тип переменной. Также существуют понятия пространства имен и область действия переменной. Представьте, что создается программа, в которой используются несколько переменных. Имена этих переменных составляют список, который определяет пространство имен. Представим, что в ходе создания программы мы, по ошибке, объявили две переменные с одинаковыми названиями. При попытке запуска программы его компилятор сообщит об этой ошибке. Это было бы невозможно, если бы компилятор не контролировал переменные. То есть контроль безупречности пространства имен возлагается от программиста на компилятор; что облегчает процесс создания и отладки программы. На практике, приведенный пример не во всех языках приводит к ошибке. Каждый компилятор (или интерпретатор) имеют собственные требования к пространству имен. То, что является ошибкой в одном языке (в данном случае C или C++), в других языках ошибкой может не быть.

Если раньше программы были небольшие и их исходный код располагался в одном файле, то сейчас текст кода может состоять из нескольких файлов. И запомнить уникальное имя каждой переменной, использующейся в программе, становится практически невозможным. Поэтому (и не только) было введено понятие области действия (или области существования) переменных. Область действия – понятие абстрактное. Это понятие применяется только в языках среднего и высокого уровней. Целью применения области действия является разделение пространства имен на несколько независимых частей. Так в программе могут существовать несколько переменных с одинаковыми именами и типами, не мешаю друг другу. Начинающему идея разделения области действия в пределах отдельных файлов исходного кода программы должна быть более понятна. Например, этот подход используется в PHP. Это означает, что переменная, объявленная в одном файле, может быть абсолютно недоступна в других файлах. Например, мы можем объявить переменную с именем MyVar в нескольких файлах проекта, и это не будет ошибкой.

---