Файл: Понятие переменной в программировании. Виды и типы переменных (Оператор присваивания. Арифметические выражения).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Переменная в программировании — поименованная, либо адресуемая иным способом область памяти, адрес которой можно использовать для осуществления доступа к данным. Данные, находящиеся в переменной (то есть по данному адресу памяти), называются значением этой переменной.

В других парадигмах программирования, например, в функциональной и логической, понятие переменной оказывается несколько иным. В таких языках переменная определяется как имя, с которым может быть связано значение, или даже как место (location) для хранения значения.

Область видимости и/или время существования переменной в некоторых языках задаётся классом памяти.

Многие из нас слышали слово «переменная» на уроках математики задолго до того, как узнали многое о компьютерном программировании. Математическая переменная – это величина, значение которой неизвестно или не ограничено одним числом. Это использование похоже, хотя и не идентично, понятию переменной в языках программирования. Два важных различия:

Во-первых, в математике для представления переменной мы обычно используем букву, такую как x или y, тогда как в языках программирования мы часто используем описательное слово или фразу, такую как temperature, MaxValue или Number_of_Samples.

Во-вторых, существуют ситуации, в которых мы используем переменную для определения величины, которая известна и не предназначена для того, чтобы когда-либо отличаться от исходного значения.

Глава 1. Понятие переменной. Типы.

Данные, как вы знаете, хранятся в памяти компьютера, но для указания на конкретную информацию очень неудобно все время записывать физические адреса ячеек. Эта проблема в языках программирования высокого уровня, в частности в Паскале, решена введением понятия переменной. Переменная в Паскале - именованный участок памяти для хранения данных определенного типа. Значение переменной (информация в соответствующих ячейках памяти) в ходе выполнения программы может быть изменено. Константами же, как вы уже знаете, называются величины, значение которых в ходе выполнения программы изменено быть не может. Конкретные переменные и константы представляют собой объекты уникальные и отличаются друг от друга именем.
В качестве данных в программах на языке Паскаль могут выступать числа, символы, целые строки символов. Заметьте, что с этими различными видами информации выполняются совершенно разные действия. Например, с числовыми величинами производятся арифметические операции, чего невозможно сделать с символьными. Кроме того, разные виды данных требуют различного объема памяти для хранения. В соответствии с этими соображениями в языке Паскаль введено понятие "Тип" (TYPE). Тип переменной указывает на то, какие данные могут быть сохранены в этом участке памяти, и в каких действиях эта переменная может участвовать. Существуют зарезервированные (базовые) типы в языке Паскаль, но, как далее вы убедитесь, есть также возможность создавать свои собственные, определяемые программистом типы переменных.
К базовым типам относятся:

• целые чисел – «Integer»
• тип "длинных" целых чисел – «Longint»
• тип действительных (вещественных) чисел – «Real»
• тип неотрицательных целых чисел от 0 до 255 – «Byte»
• тип неотрицательных целых чисел от 0 до 65535 – «Word»
• символьный тип – «Char»
• строковый тип – «String»
• логический тип – «Boolean»

Физически типы данных отличаются друг от друга количеством ячеек памяти (байтов), отводимых для хранения соответствующей переменной. Логическое же отличие проявляется в интерпретации хранящейся информации. Например, переменные типа Char и типа Byte занимают в памяти по одному байту. Однако в первом случае содержимое ячейки памяти интерпретируется как целое беззнаковое число, а во втором - как код (ASC) символа.
В отличие от констант, неименованных переменных не существует. Все используемые в программе переменные должны быть описаны в соответствующем разделе описания.

Раздел описания переменных начинается служебным словом Var, после которого следуют записи следующего вида:
<Список имен переменных>:<Название типа>;
Список может состоять из нескольких имен (при этом они разделяются запятыми), а также и из одного имени. Тип, указываемый после двоеточия, определяет, какие данные теперь могут храниться в описанных таким образом переменных. Для каждого используемого в программе типа переменных в разделе их описания должна быть, как минимум, одна собственная строка.
Пример:
Var
A,B,H_22,Angle : Real;
Name3 : String;
Flag : Boolean;
I,J,K,Count : Word;

1.1 Оператор присваивания. Арифметические выражения

Самым простым действием над переменной является занесение в нее величины соответствующего типа. Иногда говорят об этом, как о присвоении переменной конкретного значения. Такая команда (оператор) в общем виде выглядит на языке Паскаль следующим образом:
<Имя переменной>:=<Выражение>;
Выражение, указанное справа от знака ":=", должно приводить к значению того же типа, какого и сама переменная, или типа, совместимого с переменной относительно команды присваивания. Например, переменной типа Real можно присвоить значение типа Integer или Word (впрочем, наоборот делать нельзя). Выражение будет сначала вычислено, затем, его результат будет положен в ячейки памяти, отведенные для переменной.

Что же представляет собой выражение на языке Паскаль? Многое зависит от типа выражения. Рассмотрим сначала выражения арифметические, то есть те, результатом которых является число.
В состав арифметического выражения на языке Паскаль могут входить:

• • • числовые константы;
    • имена переменных;
    • знаки математических операций;
    • математические функции и функции, возвращающие число;
    • открывающиеся и закрывающиеся круглые скобки.

1.2 Понятие переменной

Переменные вводятся в программу для хранения и передачи данных внутри нее. Все переменные, которые предполагается использовать в программе должны, прежде всего, быть определены в разделе описания переменных. Описание переменных начинается со служебного слова VAR, вслед за которым располагается последовательность самих определений переменных.  Определение переменной заключается в указании ее имени (идентификатора) и типа. Имя и тип разделяются двоеточием. После объявления и описания переменной должен стоять символ ";". Концом блока описания будет начало какого-либо другого блока программы или описание процедур и функций.

Алгоритм состоит из команд исполнителю. Исполнитель может, в свою очередь, командовать другими исполнителями. Компьютер можно рассматривать как универсальный исполнитель, который управляет другими исполнителями. Рассмотрим, к примеру, автомобиль с инжекторным двигателем. В нем работой двигателя управляет компьютер (его иногда называют микропроцессорный блок). Компьютер получает данные от разнообразных датчиков (датчики положения коленчатого вала и дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, скорости, детонации, кислорода и др.) и отдает приказания исполняющим системам двигателя - модулю зажигания, бензонасосу, форсункам двигателя, регулятору холостого хода, системе продувки адсорбера и т.д. Таким образом, и датчики, и исполняющие системы двигателя управляются компьютером, который выступает в роли универсального исполнителя.

Запись алгоритма для универсального исполнителя может включать команды, адресованные ему непосредственно, а также команды, которые нужно передать подчиненным исполнителям. В чем разница между универсальным и простейшими подчиненными исполнителями?

Как правило, универсальный исполнитель имеет собственную память, и выполнение им команд может приводить не к каким-либо внешним действиям, а к изменению его внутреннего состояния. Например, используя сигналы от датчика фазы, компьютер автомобиля вычисляет текущие обороты двигателя (которые показывает на тахометре). Используя эти данные и информацию, поступающую от датчика скорости автомобиля, компьютер может вычислить, какая передача включена в определенный момент времени. Далее вычисляется текущая нагрузка на двигатель и устанавливается, какой должна быть смесь бензина и воздуха, подаваемая в цилиндры двигателя. В зависимости от этого подаются команды на открытие форсунок. От степени обогащения смеси зависит момент зажигания - чем богаче смесь, тем позже момент зажигания; таким образом, подаче команды модулю зажигания предшествуют достаточно сложные вычисления.

Таким образом, компьютер автомобиля, управляющий работой двигателя, хранит в любой момент времени в своей памяти текущие скорость, передачу, нагрузку на двигатель, температуру охлаждающей жидкости, требуемую степень обогащённости смеси и многие другие параметры. Эти параметры периодически перевычисляются на основании сигналов от разнообразных датчиков. В зависимости от значений параметров, компьютер передает те или иные сигналы управляющим системам двигателя.

Значение каждого параметра хранится в определенном участке памяти компьютера и может меняться в процессе выполнения алгоритма. Такой участок памяти компьютера называется переменной. Понятие переменной - важнейшее понятие алгоритмического языка. Переменные встроены в конструкцию универсального исполнителя.

Каждой переменной присваивается имя. В рассмотренном примере используются переменные " скорость ", " обороты двигателя ", " передача ", " нагрузка ", " температура ", " обогащенность смеси ", " угол опережения зажигания " и другие. С каждой переменной связан ее тип, т.е. множество значений, которое она может принимать. Например, " передача " принимает целые значения от 1 до 5 (обратная и первая передачи не различаются), тогда как " скорость ", а также " обогащенность смеси " принимают вещественные значения (скорость измеряется в м/сек, обогащенность смеси может измеряться либо соотношением кислорода и паров бензина в единице объема, либо в процентах относительно стехиометрической смеси 14/1, соответствующей полному сгоранию паров бензина).

С переменной можно выполнять два действия:

1. прочитать текущее значение переменной;
2. записать новое значение в переменную или, как говорят программисты, присвоить новое значение переменной.

В алгоритмическом языке чтение значения переменной выполняется в результате использования ее имени в любом выражении. Запись нового значения переменной выполняется с помощью так называемого оператора присваивания. Он выглядит следующим образом:

имя переменной := выражение;

Знак := читается как присвоить значение. Во многих языках вместо него используется просто знак равенства:

имя переменной = выражение;

При выполнении оператора присваивания сначала вычисляется значение выражения в правой части, затем оно записывается в переменную, имя которой указано в левой части. Старое значение переменной при этом стирается. Например, скорость автомобиля вычисляется по количеству импульсов от датчика скорости в единицу времени: датчик скорости посылает 6 импульсов на каждый пройденный метр.

скорость := число импульсов от датчика скорости /(6 * интервал времени);

Переменная " число импульсов от датчика скорости " в течение каждого интервала времени суммирует число импульсов. В начале каждого интервала она обнуляется. Полученная в результате скорость выражается в км/час. Если нужно получить скорость в м/сек, то дополнительно выполняется следующее действие:

скорость := скорость * 3600 / 1000;

Здесь переменная " скорость " входит как в правую, так и в левую части оператора присваивания. В правой части используется старое значение этой переменной, вычисленное в м/сек. Поскольку час содержит 3600 секунд, то при домножении на 3600 получается расстояние в метрах, проходимое за 1 час; после деления на 1000 получается расстояние в километрах. Вычисленное значение затем присваивается переменной " скорость ".

Суммируем вышесказанное:

Универсальный исполнитель, или компьютер, - это исполнитель, который может управлять другими исполнителями. Запись алгоритма для универсального исполнителя может включать команды, которые он должен передать подчиненным исполнителям, и команды, изменяющие внутреннее состояние самого универсального исполнителя;

Внутреннее состояние универсального исполнителя определяется состоянием его памяти. Память - это материальный носитель (лента машины Тьюринга, ламповая или ферритовая память первых компьютеров, полупроводниковая память современных компьютеров), который хранит информацию. Эту информацию можно читать и перезаписывать;

Переменная - это область памяти универсального исполнителя, хранящая порцию информации. Любая переменная имеет имя и тип. Тип переменной определяется множеством всех значений, которые она может принимать. Память универсального исполнителя можно рассматривать как набор переменных;

с переменной можно выполнять два действия: прочитать ее текущее значение и записать в нее новое значение (старое теряется). В алгоритмическом языке значение переменной читается, когда ее имя используется в любом выражении, значение которого надо вычислить. Для записи нового значения в переменную применяется оператор присваивания, который имеет вид

имя переменной := выражение;

При его выполнении сначала вычисляется значение выражения справа от знака присваивания :=, затем оно записывается в переменную. Выражение в правой части может включать имя переменной в левой части. В этом случае при вычислении выражения используется старое значение переменной.