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

В языке С вещественным числам соответствуют типы float и double.

Основным типом является тип double, именно он наиболее естественен для компьютера. В программировании следует по возможности избегать типа float (этот тип оправдан в трехмерной компьютерной графике), т.к. его точность недостаточна, а процессор все равно при выполнении операций преобразует его в тип double. Если к большому плавающему числу прибавить очень маленькое, то оно не изменится.

A + b = a при b != 0

Для сложения не выполняется закон ассоциативности: a + (b + c) != (a + b) + c

Точность вычислений вещественных чисел типа double составляет 16 десятичных цифр.

Кроме потери точности, при операциях с вещественными числами могут возникать и другие проблемы.

– Переполнение - когда порядок результата больше максимально возможного значения. Эта ошибка часто возникает при умножении больших чисел;

– Исчезновение порядка - когда порядок результата отрицательный и слишком большой по абсолютной величине, т.е. порядок меньше минимально допустимого значения. Эта ошибка может возникнуть при делении маленького числа на очень большое или при умножении двух очень маленьких по абсолютной величине чисел. – вызывают аппаратное прерывание работы процессора.

– Деление на ноль является некорректной операцией. – вызывают аппаратное прерывание работы процессора.

Символьные переменные

Значением символьной переменной является один символ из фиксированного набора. Такой набор обычно включает буквы, цифры, знаки препинания, знаки математических операций и различные специальные символы (процент, звездочка, косая черта и др.)

Символы представляются их целочисленными кодами в некоторой фиксированной кодировке. Кодировка определяется тремя параметрами:

1) диапазон значений кодов. Например ASCII. Стандартный код обмена информацией. От 0 до 127. Требует 7 бит на символ. Большинство современных кодировок имеют диапазон кодов от 0 до 255, т.е. 1 байт на символ. Unicode, – диапазон от 0 до 65535 – т.е. 2 байта (16 бит) на символ.

2) множеством изображаемых символов.

3) отображением множества кодов на множество символов. Кодировки кои-8, cp-1251, итд.

В языке C++ для Unicode существует тип wchar_t в котором под каждый символ отводится 2 байта.

Логические переменные и выражения

Логический тип данных bool, реализуется 1 байтом

Логические или условные выражения используются в качестве условия в конструкциях ветвления «если… то… иначе… конец если» и цикла «пока».

Любая операция сравнения имеет два аргумента и вырабатывает логическое значение «истина» и «ложь» (true и false)

Операции сравнения:

– Проверка равенства: ==

– Неравенство обозначается: !=

– Для сравнения величин выражений применяется четыре операции: больше> ; меньше < ; больше или равно >= ; меньше или равно <=

x == 0 // истина, если значение x равно 0

0 != 0 // ложь

3 >= 2 // истина

Явное и неявное преобразование типов переменных

Приведение (преобразование) типа – в программировании преобразование значения одного типа в значение другого типа.

Выделяют приведения типов:

1) явные

2) неявные

Явное приведение задаётся программистом в тексте программы с помощью:

1) конструкции языка;

2) функции, принимающей значение одного типа и возвращающей значение другого типа.

Неявное приведение выполняется транслятором (компилятором или интерпретатором) по правилам, описанным в стандарте языка. Стандарты большинства языков запрещают неявные преобразования.

В слабо типизированных объектно-ориентированных языках, таких как C++, механизм наследования реализуется посредством приведения типа указателя на текущий объект к базовому классу.

Неявное приведение типов происходит в следующих случаях:

после вычисления операндов бинарных арифметических, логических, битовых операций, операций сравнения, а также 2-го или 3-го операнда операции «?:»; значения операндов приводятся к одинаковому типу;

перед выполнением присваивания;

перед передачей аргумента функции;

перед возвратом функцией возвращаемого значения;

после вычисления выражения конструкции switch значение приводится к целочисленному типу;

после вычисления выражений конструкций if, for, while, do-while значение приводится к типу bool.

Например, при выполнении бинарной арифметической операции значения операндов приводятся к одному типу. При наследовании указатели производного класса приводятся к указателям базового класса.

Для явного приведения типов имя типа указывается в круглых скобках перед переменной или выражением.

Статическая и динамическая типизация

Тип – это коллекция возможных значений. Целое число может обладать значениями 0, 1, 2, 3 и так далее. Булево может быть истиной или ложью. Можно придумать свой тип, например, тип "ДайПять", в котором возможны значения "дай" и "5", и больше ничего. Это не строка и не число, это новый, отдельный тип.

Статически типизированные языки ограничивают типы переменных: язык программирования может знать, например, что x – это Integer. В этом случае программисту запрещается делать x = true, это будет некорректный код. Компилятор откажется компилировать его, так что мы не сможем даже запустить такой код. Другой статически типизированный язык может обладать другими выразительными возможностями, и никакая из популярных систем типов не способна выразить наш тип ДайПять (но многие могут выразить другие, более изощренные идеи).

Динамически типизированные языки помечают значения типами: язык знает, что 1 это integer, 2 это integer, но он не может знать, что переменная x всегда содержит integer.

Среда выполнения языка проверяет эти метки в разные моменты времени. Если мы попробуем сложить два значения, то она может проверить, являются ли они числами, строками или массивами. Потом она сложит эти значения, склеит их или выдаст ошибку, в зависимости от типа.

Статически типизированные языки

Статические языки проверяют типы в программе во время компиляции, еще до запуска программы. Любая программа, в которой типы нарушают правила языка, считается некорректной. Например, большинство статических языков отклонит выражение "a" + 1 (язык Си – это исключение из этого правила). Компилятор знает, что "a" – это строка, а 1 – это целое число, и что + работает только когда левая и правая часть относятся к одному типу. Так что ему не нужно запускать программу чтобы понять, что существует проблема. Каждое выражение в статически типизированном языке относится к определенному типу, который можно определить без запуска кода.

Динамически типизированные языки

Динамически типизированные языки не требуют указывать тип, но и не определяют его сами. Типы переменных неизвестны до того момента, когда у них есть конкретные значения при запуске. Например, функция в Python

def f(x, y):

return x + y

может складывать два целых числа, склеивать строки, списки и так далее, и мы не можем понять, что именно происходит, пока не запустим программу. Возможно, в какой-то момент функцию f вызовут с двумя строками, и с двумя числами в другой момент. В таком случае x и y будут содержать значения разных типов в разное время. Поэтому говорят, что значения в динамических языках обладают типом, но переменные и функции – нет. Значение 1 это определенно integer, но x и y могут быть чем угодно.

Статические и динамические переменные

Практика программирования часто выдвигает на передний план два конфликтующих фактора: время выполнения программы и объем занимаемой памяти. Конечно, высокое быстродействие программы всегда желательно, но бывают случаи, когда важнее обеспечить максимальную экономию памяти даже ценой потери в скоростных характеристиках [10].

Рассмотрим пример. Пусть в программе обрабатывается матрица 300*300 целых чисел, тогда ее нужно описать следующим образом:

var M1 : array[1..300,1..300] of Integer;

Такие переменные, описанные в разделе Var, Н.Вирт назвал статическими. Название "статические" они получили за то, что компилятор Паскаля может обработать их без выполнения программы, т. е. на основании лишь статического текста программы. Статические переменные можно использовать в случаях, когда память, необходимая для работы программы, предсказуема в момент написания программы.

В данном случае мы имеем наглядный пример нерационального использования памяти компьютера с применением статических переменных. Так как один элемент матрицы – целое число – занимает в памяти два байта, а общее количество элементов равно 300*300= 90000, то для размещения всей матрицы вышеописанным способом в памяти компьютера нужно 90000*2 байт = 180000 байт. Вместе с тем маловероятно, чтобы при всяком выполнении программы ей действительно были нужны одновременно все элементы такого огромного массива. К тому же все переменные, объявленные в программе, размещаются в одной непрерывной области оперативной памяти, которая называется сегментом данных. Длина сегмента данных определяется архитектурой микропроцессора 8086 и составляет 65536 байт (64 Кбайта), что также вызывает затруднения при обработке больших массивов данных [10].

Выходом из этого положения может быть использование динамической памяти. Динамическая память – это оперативная память компьютера, предоставляемая программе при ее работе, за вычетом сегмента данных (64 Кбайта), стека (обычно 16 Кбайт) и собственно тела программы. Размер динамической памяти определяется всей доступной памятью компьютера и составляет 200...400 Кбайт.

Решение проблемы экономного расходования памяти состоит в том, чтобы не резервировать заранее максимальный объем памяти для размещения данных, а, предварительно определив тип данных, создавать новый экземпляр данных всякий раз, когда в нем возникает необходимость. Такие переменные, которые создаются и уничтожаются в процессе выполнения программы, называются динамическими. Динамическая память широко используется для временного запоминания данных при работе с графическими и звуковыми средствами компьютера.

Указатели

Все рассмотренные ранее типы данных содержат непосредственно данные, размещенные в памяти компьютера. Для организации динамической памяти применяются особые переменные, называемые указателями. Назначение их состоит в том, чтобы указывать местоположение какой-то другой переменной заранее определенного типа.

Таким образом, указатель - это переменная, которая в качестве своего значения содержит адрес первого байта памяти, по которому записаны данные. Сам по себе указатель занимает в памяти всего четыре байта, а данные, на которые он указывает, могут простираться в памяти на десятки килобайт. Переменной, на которую указывает указатель, не обязательно присваивать какое-либо имя. К ней можно обращаться через имя указателя, потому она называется ссылочной переменной.

Локальные и глобальные переменные

В программировании особе внимание уделяется концепции о локальных и глобальных переменных, а также связанное с ними представление об областях видимости. Соответственно, локальные переменные видны только в локальной области видимости, которой может выступать отдельно взятая функция. Глобальные переменные видны во всей программе. "Видны" – значит, известны, доступны. К ним можно обратиться по имени и получить связанное с ними значение. К глобальной переменной можно обратиться из локальной области видимости. К локальной переменной нельзя обратиться из глобальной области видимости, потому что локальная переменная существует только в момент выполнения тела функции. При выходе из нее, локальные переменные исчезают. Компьютерная память, которая под них отводилась, освобождается. Когда функция будет снова вызвана, локальные переменные будут созданы заново [5].

Простые и сложные переменные

По наличию внутренней структуры, переменные могут быть простыми или сложными (составными).

Простые переменные не имеют внутренней структуры, доступной для адресации. Последняя оговорка важна потому, что для компилятора или процессора переменная может быть сколь угодно сложной, но конкретная система (язык) программирования скрывает от программиста её внутреннюю структуру, позволяя адресоваться только «в целом» [4].

Сложные переменные программист создаёт для хранения данных, имеющих внутреннюю структуру. Соответственно, есть возможность обратиться напрямую к любому элементу. Самыми характерными примерами сложных типов являются массив (все элементы однотипные) и запись (элементы могут иметь разный тип).