Другие типы данных

7.1. Структуры, объединения и перечисления

Одним из преимуществ "новых" языков программирования (таких как "Паскаль", "Си") является появление "пользовательских" типов данных. В языке Си к таким данным относят структуры, объединения и перечисления. Рассмотрим их поподробнее.

Структура

Структура представляет собой несколько типов данных, расположенных вместе, в соседних ячейках памяти. Структура имеет собственное имя как тип данных, длина ее элемента (в памяти компьютера) вычисляется с помощью функции sizeof (в C и C++). Пример структуры следующий:

[Пример 01]

/* Инициализируем константу */

const unsigned short MAXSTRINGLENGTH = 256;

/* Описание структуры stringz */

struct stringz
{
	char string[MAXSTRINGLENGTH];
	short nLength;
}

Здесь определена структура с именем stringz, содержащая в себе массив string длиной MAXSTRINGLENGTH (в нашем случае - это 256 символов), и целым числом длиной 2 байта nLength, в котором может, например, храниться реальная длина строки.

Объединение

Объединение похоже на структуру, но в ней данные хранятся не вместе друг с другом, а вместо друг друга. Например, в следующем объединении с тегом data:

[Пример 02]

/* Объявление константы

const unsigned short STRDATALENGTH = 32:

/* Объявление объединения

union data{
	long intdata;
	double doubledata;
	char strdata[STRDATALENGTH];
}

Может храниться либо длинное целое, либо данные с плавающей точкой, либо массив-строка символов длиной 32 байта, причем все - в одних и тех же ячейках памяти. Функция sizeof, примененная к объединению, выдает значение самого длинного типа данных в объединении.

Обращение к элементам структуры и объединения осуществляется либо через знак "." (для переменной), либо знаком "->" (для указателей). Например:

[Пример 03]

/* Инициализируем константу */

const unsigned short MAXSTRINGLENGTH = 256;

/* Объявление переменных */

struct stringz aString, *theString;
union data aData, *theData;

/* Присвоение значений переменным */

aString.nLength = 5;
memset(theString -> string, '\0', MAXSTRINGLENGTH);

aData.intdata = 1;
theData -> doubledata = 7.0;

Перечисления

Перечисления иногда называют именованными типами данных. Их объявление на языке Си следующее:

enum <тег> {<константа 0>, <константа 1>, ... <константа n>};

Например:

[Пример 04]

/* определяет булевский тип данных */

enum boolean {FALSE, TRUE}

Переменные типа "перечисление" представляют собой целые переменные без знака, способные принимать значения только из списка: <константа 0> ... <константа n>, причем первой константе соответствует значение "0".

Переменную перечисления в Си можно привести к целому типу. Обратное действие вызывает неопределенность.

Если Ваш язык не поддерживает перечисления, можно определить целые константы, соответствующие перечислению, и определить целую переменную, которая будет работать только с этими константами. Но это уже должен отслеживать программист, то есть Вы.

[Пример 05]

stringZ$ = "Привет!"
stringZ% = 7

В этом примере вместо структуры stringz в языке Quick Basic используются переменные stringZ$ (для хранения символьных данных) и stringZ% для хранения целого числа.

7.2. Составные специальные типы

К составным специальным символьным типам данных автор относит такие типы данных, как класс "string" из библиотеки ClassLib в Borland C/C++, класс "String" стандартной библиотеки языка Java, класс "CString" в библиотеке MFC из пакета Microsoft Visual Studio и т.д. Эти классы частично заменяют такой примитивный символьный тип данных, как массив скаляров char[]. В стандартах на языки C++ и Sun Java 2 наличие таких предопределенных классов является обязательным. В таблице [[C_Tables.xls]07.I.] представлены стандартные методы классов "string" в Borland C/C++, "String" в Sun Java 2, "CString" в Microsoft MFC 2.0 и функции работы с символьными данными в Visual Basic Script.

В примерах [06 - 08] дается реализация алгоритмов Примера 01 лекции 6 с помощью классов "CString", "String" и "string" соответственно.

[Пример 06]

// Определение переменной: <имярек>.
CString strImyaRek("Света");
// Определение переменной-результата.
Cstring strResult();
// Символьные вычисления.
strResult = _T("Привет ") + strImyaRek + _T("! С добрым утром.");

[Пример 07]

// Определение переменной: <имярек>.
string strImyaRek("Света");
// Определение переменной-результата.
string strResult();
// Символьные вычисления.
strResult.append("Привет ");
strResult += strImyaRek;
strResult.append("! С добрым утром.");

[Пример 08]

// Определение переменной: <имярек>.
String strImyaRek("Света");
// Определение временных переменных
strPrivet("Привет ");
strEnd("! С добрым утром.");
// Определение переменной-результата.
Cstring strResult();
// Символьные вычисления.
strResult = strPrivet + strImyaRek + strEnd;

Подробнее о символьных типах данных смотри следующую литературу:

Замечания, касающиеся "взлома" программ

Реализацию собственных символьных классов следует производить с осторожностью. Если класс закрыт от изменений, но при этом он возвращает свои защищенные значения, то хакер может получить ссылку на этот объект, и, изменяя содержимое этой ссылки, фактически он меняет содержимое этого защищенного элемента класса. Более подробно об этой проблеме смотри примеры в книге [74].

Также к составным специальным символьным типам относят все переменные Perl. Подробнее о типах языках Perl см. лекцию 8.

7.3. Массивы и указатели

В разделах 6.2 и 7.1 уже использовалось понятие массива, правда, применительно только к примитивным символьным данным. Но массив, в принципе, может состоять из любых данных, в том числе и числовых, и типов-классов и структур, а также из других массивов. Массивы представляют собой смежные ячейки памяти, начиная с начального адреса массива и до последней ячейки памяти массива. Доступ к каждой ячейке памяти осуществляется по его индексу. С помощью индекса вычисляется адрес нужной ячейки по формуле:

<адрес элемента> = <начальный адрес массива>+<индекс>*<длина типа данных>

Индекс массива может меняться от 0 до N-1 или от 1 до N, где N - максимальный размер массива. Синтаксис объявления массива следующий:

<тип> <переменная>[<N>]

для языков Си, С++, Java, где N - максимальное число ячеек в массиве;

DIM <переменная с типом>(<N>)

для языка Бейсик

[Пример 09]

REM - определяет массив строк A$ из 10 переменных и матрицу вещественных чисел D размером 3х3;

DIM A$(10), D(3,3)

[Пример 10]

/* - определяет массив строк A из 10 переменных и матрицу вещественных чисел d размером 3х3,
а также массив примитивных символов array из десяти символов и указатель на символьный массив, которому можно назначить адрес имеющегося массива. */

string A[10];
double d[3][3];
char *c, array[10];

Индекс массива

Для выбора одного из элементов массива используется его индекс. Индекс - порядковый номер элемента массива в отведенной для него области памяти. Операция нахождения значения ячейки массива по его индексу называется индексированием. Индексом может быть как целое число, так и целая переменная.

[Пример 11]

/* Задание типов элементам */

char b, c, str[5];
int i;

...

/* Присвоение элементов: */

c = str[5]; b = str[i];

В приведенном примере символьным переменным b и c присваивается соответственно значение i -ой и третьей ячейки массива символьных данных str.

Максимальный индекс массива определяется следующими способами:

const short MAXNUMBER = 8;

char str[7];
short nIndexes[MAXNUMBER];

char str[] = "Привет!";
short nIndexes[] = {5, 4, 6, 8, 7, 3, 1, 2};

Как видно, при определении индексов этим способом квадратные скобки остаются пустыми.

Указатели

Кроме массивов, для обращения к переменной по ее адресу можно пользоваться указателем на переменную указанного типа. Указатели есть в языках Си, C++ и Java, но отсутствует во многих "старых" языках, таких как ФОРТРАН и Quick Basic.

Синтаксис определения указателя следующий:

<тип> *<имя переменной>

Замечание. Как уже отмечалось в примере 10, массивы можно определить как указатели. Однако это нужно делать в следующих случаях:

После определения указателя, например, после объявления:

char *c, a, d='a';

в переменной c будет храниться адрес ячейки содержащей символ. Но для этого необходимо сначала создать эту ячейку, например, с помощью функции malloc:

c = (char *) malloc( sizeof( char ) );

или присвоить ей адрес существующей ячейки памяти:

c = d;

Для того чтобы получить значение ячейки памяти, после присвоения адреса по формуле 7.8, можно использовать следующий оператор:

a = *c;

В этом случае переменной a будет присвоено значение 'a', а после присвоения:

*c = 'b';

переменной d будет присвоено значение 'b'

c = a; (компилятор выдаст ошибку!)

[Пример 14]

/* Описание переменных */

char *c, d='a';
unsigned char *u;

/* Присвоение указателей */

c = d;
u = (unsigned char *)c;

В результате в переменной u хранится содержимое ячейки d "как есть". Переменная c будет по-прежнему иметь тип char * (указатель на тип char).

В некоторых функциях используется указатель на "пустой" тип: void *. Перед использованием этого указателя необходимо присвоить (переопределить) его на указатель на необходимый тип данных.

[Пример 15]

/* Определение переменных */

char *c;

/* Присвоение указателей: */

c = (char *) malloc( sizeof( char ) );

Чтобы присвоить переменной-указателю адрес выделенной ячейки памяти, необходимо явно изменить тип возвращаемого значения функции malloc (по-умолчанию функция malloc возвращает тип: "void *").

Ссылки

Ссылка - это "разыменованный" указатель. Она обозначается как <тип> <переменная>. В основном она применяется в параметрах функции. Пусть, например, объявлена функция:

void func( int a, int *b, int c);

В этом случае первый параметр передается "по значению", то есть он принимает значение "фактического" параметра целого типа, и записывает его во внутреннюю переменную или стек. После выхода из функции его значение теряется.

Второй параметр передает в качестве фактического параметра указатель на переменную. Если теперь "разыменовать" этот указатель, то значение переменной, на которую указывает указатель, может меняться, но адрес переменной после окончания функции потеряет все сделанные изменения.

Наконец, третий параметр функции сочетает в себе достоинства обоих способов передачи параметров. Так, ссылку, как и переменную, передаваемую "по значению", не надо разыменовывать. Однако, после выхода из функции, новое значение предаваемой "по ссылке" переменной сохраняется. Поэтому вызов функции func, определенное в [7.12], будет следующим:

func( i, i, i );

где i - целая переменная - "фактический параметр".

7.4. Списки

Списки представляют собой примерно такую же последовательность данных, как и массивы. Они отличаются друг от друга следующим образом:

struct list_node{
	union data datum_node;
	struct list_node *next_node;
}

С первого взгляда кажется, что использование списка, по сравнению с массивом, неудобно. Но это неудобство происходит только при работе с "императивными" алгоритмами, для которых существует только одна, основная последовательность в реализации алгоритма. Однако существуют также и "декларативные" алгоритмы, в которых задаются (описываются) только исходные данные, цель задачи, а алгоритм нахождения цели "встроен" в реализации языка и скрыт от программиста. На "декларативных" алгоритмах основана функциональная парадигма программирования (язык LISP) и логическая парадигма программирования (язык PROLOG). В этих языках вполне естественно (из логики построения программы) заменить произвольный доступ к элементам массива на доступ к "голове" (начальному элементу) и "хвосту" (остальной части) списка. Более подробно о языке Turbo Prolog смотри [files/prolog.zip] материалы по языку: "Турбо Prolog".

7.5. Резюме

В данной лекции Вы познакомились с так называемыми "пользовательскими" и "специальными" типами данных. Введение в языки программирования возможности создавать собственные типы данных вызвало настоящую революцию в программировании. Появившись вначале в языке Паскаль, эти типы широко "разошлись" по другим языкам программирования. Кстати говоря, объектно-ориентированное программирование также в большей своей частью основано на том, что пользователь вправе создавать собственные типы данных - так называемые "классы", и определять, как они будут взаимодействовать между собой.

Среди пользовательских типов данных Вы познакомились со структурами и объединениями. Специальные же типы "отметились" массивами и указателями на тип данных. Хотя в примерах рассматривались в основном "машинные" типы данных, в языках программирования можно использовать массивы и указатели на любые символьные данные, в том числе можно создавать массивы указателей и массивы пользовательских данных.

Автор особо хотел бы остановить внимание на другом специальном типе данных - списке. Хотя списки практически не встречаются в "процедурных" языках программирования (их реализация имеется только в библиотеке ClassLib Borland C/C++), они очень широко используются при анализе текстов, грамматическом разборе приложениях, и других алгоритмах искусственного интеллекта. Поэтому автор советует изучить этот тип данных самостоятельно.

7.6. Глоссарий

7.7. Приложение

В таблицах 7.1 - 7.7 Дан список основных функций работы с символьными данными.