Типы данных в языке С++

Цель лекции: изучить классификацию типов и их внутреннее представление в языке С++, научиться работать со стандартными и пользовательскими типами.

Основная цель любой программы состоит в обработке каких-либо данных, например, чисел или текстов. Данные могут быть различного вида или типа и, в зависимости от этого, с ними можно выполнять разные действия.

В любом языке программирования каждая константа, переменная, результат вычисления выражения или функции должны иметь определенный тип данных.

Тип данных – это множество допустимых значений, которые может принимать тот или иной объект, а также множество допустимых операций, которые применимы к нему. В современном понимании тип также зависит от внутреннего представления информации.

Таким образом, данные различных типов хранятся и обрабатываются по-разному. Тип данных определяет:

Исходя из данных характеристик, необходимо определять тип каждой величины, используемой в программе для представления объектов. Обязательное описание типа позволяет компилятору производить проверку допустимости различных конструкций программы. От выбора типа величины зависит последовательность машинных команд, построенная компилятором.

Классификация типов данных в С++

Современные языки программирования, как правило, могут иметь набор простых типов, являющихся встроенными в данный язык программирования, и средства для создания производных типов.

Объектно-ориентированные языки программирования позволяют определять типы класса.

Реализация простых типов данных заключается в способе представления значений данного типа в компьютере и в наборе операций, поддерживаемых для данного типа.

Тип данных определяет размер памяти, выделяемой под переменную данного типа при ее создании. Язык программирования C++ поддерживает следующие типы данных (рис. 1.1).

Существует четыре спецификатора типа данных, уточняющих внутреннее представление и диапазон базовых типов:

Рассмотрим более подробно базовые типы данных.

Целочисленный (целый) тип данных (тип int)

Переменные данного типа применяются для хранения целых чисел (integer). Описание переменной, имеющей тип int, сообщает компилятору, что он должен связать с идентификатором (именем) переменной количество памяти, достаточное для хранения целого числа во время выполнения программы.

Границы диапазона целых чисел, которые можно хранить в переменных типа int, зависят от конкретного компьютера, компилятора и операционной системы (от реализации). Для 16-разрядного процессора под него отводится 2 байта, для 32-разрядного – 4 байта.

Для внутреннего представления знаковых целых чисел характерно определение знака по старшему биту (0 – для положительных, 1 – для отрицательных). Поэтому число 0 во внутреннем представлении относится к положительным значениям. Следовательно, наблюдается асимметрия границ целых промежутков.

В целочисленных типах для всех значений определены следующий и предыдущий элементы. Для максимального следующим значением будет являться минимальное в этом же типе, предыдущее для минимального определяется как максимальное значение. То есть целочисленный диапазон условно можно представить сомкнутым в кольцо. Поэтому определены операции декремента для минимального и инкремента для максимального значений в целых типах.

От количества отводимой под объект памяти зависит множество допустимых значений, которые может принимать объект:

Модификаторы signed и unsigned также влияют на множество допустимых значений, которые может принимать объект:

Например:

unsigned int b; 
signed int a; 
int c; 
unsigned d; 
signed f;

Приведем несколько правил, касающихся записи целочисленных значений в исходном тексте программ.

На практике рекомендуется использовать основной целый тип, то есть тип int. Данные основного целого типа практически всегда обрабатываются быстрее, чем данные других целых типов. Короткий тип short подойдет для хранения больших массивов чисел с целью экономии памяти при условии, что значения элементов не выходят за предельные границы для этих типов. Длинные типы необходимы в ситуации, когда не достаточно типа int.

Вещественный (данные с плавающей точкой) тип данных (типы float и double)

Для хранения вещественных чисел применяются типы данных float (с одинарной точностью) и double (с двойной точностью). Смысл знаков "+" и "-" для вещественных типов совпадает с целыми. Последние незначащие нули справа от десятичной точки игнорируются. Поэтому варианты записи +523.5, 523.5 и 523.500 представляют одно и то же значение.

Для представления вещественных чисел используются два формата:

[знак][целая часть].[дробная часть]

мантисса Е/е порядок

В большинстве случаев используется тип double, он обеспечивает более высокую точность, чем тип float. Максимальную точность и наибольший диапазон чисел достигается с помощью типа long double.

Величина с модификатором типа float занимает 4 байта. Из них 1 бит отводится для знака, 8 бит для избыточной экспоненты и 23 бита для мантиссы. Отметим, что старший бит мантиссы всегда равен 1, поэтому он не заполняется, в связи с этим диапазон модулей значений переменной с плавающей точкой приблизительно равен от 3.14E–38 до 3.14E+38.

Величина типа double занимает 8 байтов в памяти. Ее формат аналогичен формату float. Биты памяти распределяются следующим образом: 1 бит для знака, 11 бит для экспоненты и 52 бита для мантиссы. С учетом опущенного старшего бита мантиссы диапазон модулей значений переменной с двойной точностью равен от 1.7E–308 до 1.7E+308.

Величина типа long double аналогична типу double.

Например:

float a, b; 
double x, y; 
long double z;

Символьный тип данных (тип char)

В стандарте C++ нет типа данных, который можно было бы считать действительно символьным. Для представления символьной информации есть два типа данных, пригодных для этой цели, – это типы char и wchar_t.

Переменная типа char рассчитана на хранение только одного символа (например, буквы или пробела). В памяти компьютера символы хранятся в виде целых чисел. Соответствие между символами и их кодами определяется таблицей кодировки, которая зависит от компьютера и операционной системы. Почти во всех таблицах кодировки есть прописные и строчные буквы латинского алфавита, цифры 0, ..., 9, и некоторые специальные символы. Самой распространенной таблицей кодировки является таблица символов ASCII ( American Standard Code for Information Interchange – Американский стандартный код для обмена информацией).

Так как в памяти компьютера символы хранятся в виде целых чисел, то тип char на самом деле является подмножеством типа int.

Под величину символьного типа отводится 1 байт.

Тип char может использоваться со спецификаторами signed и unsigned. В данных типа signed char можно хранить значения в диапазоне от –128 до 127. При использовании типа unsigned char значения могут находиться в диапазоне от 0 до 255. Для кодировки используется код ASCII. Символы с кодами от 0 до 31 относятся к служебным и имеют самостоятельное значение только в операторах ввода-вывода.

Величины типа char также применяются для хранения чисел из указанных диапазонов.

Тип wchar_t предназначен для работы с набором символов, для кодировки которых недостаточно 1 байта, например в кодировке Unicode. Размер типа wchar_t равен 2 байтам. Если в программе необходимо использовать строковые константы типа wchar_t, то их записывают с префиксом L, например, L "Слово".

Например:

char c='c'; 
char a,b; 
char r[]={'A','B','C','D','E','F','\0'};
char s[] = "ABCDEF";

Логический (булевый) тип данных (тип bool)

В языке С++ используется двоичная логика (истина, ложь). Лжи соответствует нулевое значение, истине – единица. Величины данного типа могут также принимать значения true и false.

Внутренняя форма представления значения false соответствует 0, любое другое значение интерпретируется как true. В некоторых компиляторах языка С++ нет данного типа, в этом случае используют тип int, который при истинных значениях выдает 1, а при ложных – 0. Под данные логического типа отводится 1 байт.

Перечисляемый тип (тип enum)

Данный тип определяется как набор идентификаторов, являющихся обычными именованными целыми константами, которым приписаны уникальные и удобные для использования обозначения. Таким образом, перечисления представляют собой упорядоченные наборы целых значений. Они имеют своеобразный синтаксис и достаточно специфическую область использования.

Переменная, которая может принимать значение из некоторого списка определенных констант, называется переменной перечисляемого типа или перечислением. Данная переменная может принимать значение только из именованных констант списка. Именованные константы списка имеют тип int. Следовательно, память, соответствующая переменной перечисления, – это память, необходимая для размещения значения типа int.

Например:

enum year {winter, spring, summer, autumn};
enum week {Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, 
           Thursday, Friday, Saturday};

Тип void

Множество значений этого типа пусто. Тип void имеет три назначения:

Тип void в основном используется для определения функций, которые не возвращают значения, для указания пустого списка аргументов функции, как базовый тип для указателей и в операции приведения типов.

Преобразования типов

При вычислении выражений некоторые операции требуют, чтобы операнды имели соответствующий тип, в противном же случае на этапе компиляции выдается сообщение об ошибке. Например, операция взятия остатка от деления (%) требует целочисленных операндов. Поэтому в языке С++ есть возможность приведения значений одного типа к другому.

Преобразование типов – это приведение значения переменной одного типа в значение другого типа.

Выделяют явное и неявное приведения типов. При явном приведении указывается тип переменной, к которому необходимо преобразовать исходную переменную. При неявном приведении преобразование происходит автоматически, по правилам, заложенным в языке программирования С++.

Формат операции явного преобразования типов:

имя_типа (операнд)

Например, int(x), float(2/5), long(x+y/0.5).

Пример 1.

//Взятие цифры разряда сотых в дробном числе
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){
  float s,t;
  long int a,b;
  printf("Введите вещественное число\n");
  scanf("%f", s);
  t=s*100;
  a=(int)t; 
  //переменная t приводится к типу int в переменную a
  b=a%10;  
  printf("\nЦифра разряда сотых числа %f равна %d.", s, b); 
  system("pause");
  return 0;
}

Преобразования типов нужно применять с осторожностью, так как данная операция может приводить к потере информации. Например, после приведения длинного типа к более короткому происходит усечение информации из старших битов.

Пример 2. Временной интервал

Заданы моменты начала и конца некоторого промежутка времени в часах, минутах и секундах (в пределах одних суток). Найти продолжительность этого промежутка в тех же единицах.

Исходными данными для этой задачи являются шесть целых величин, задающих моменты начала и конца интервала, результатами – три целых величины (тип int ).

Обозначим переменные для хранения начала интервала hour1, min1 и sec1, для хранения конца интервала – hour2, min2 и sec2, а результирующие величины – hour, min и sec.

Для решения этой задачи необходимо преобразовать оба момента времени в секунды, вычесть первый из второго, а затем преобразовать результат обратно в часы, минуты и секунды. Следовательно, потребуется промежуточная переменная sum_sec, в которой будет храниться величина интервала в секундах. Она может иметь весьма большие значения, ведь в сутках 86400 секунд, что выходит за пределы типа short int. Следовательно, для этой переменной выберем длинный целый тип ( long int, сокращенно long ).

Для перевода результата из секунд обратно в часы и минуты используется отбрасывание дробной части при делении целого числа на целое.

//Временной интервал. Форматированный ввод-вывод данных
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){
  int hour1, min1, sec1, hour2, min2, sec2, hour, min, sec;
  long int sum_sec;
  printf("Введите время начала интервала (час мин сек)\n");
  scanf("%d%d%d", hour1,min1,sec1);
  printf("Введите время окончания интервала (час мин сек)\n");
  scanf("%d%d%d", hour2,min2,sec2);
  sum_sec = (hour2-hour1)*3600+(min2-min1)*60+sec2-sec1;
  hour = sum_sec/3600;
  min = (sum_sec-hour*3600)/60;
  sec = sum_sec-hour*3600-min*60;
  printf("Продолжительность промежутка от %d:%d:%d до  
          %d:%d:%d\n",hour1,min1,sec1,hour2,min2,sec2);
  printf(" равна %d:%d:%d\n",hour,min,sec);
  system("pause");
  return 0;
}

При выполнении математических операций производится неявное (автоматическое) преобразование типов, чтобы привести операнды выражений к общему типу или чтобы расширить короткие величины до размера целых величин, используемых в машинных командах. Выполнение преобразования зависит от специфики операций и от типа операнда или операндов.

1. Преобразование целых типов со знаком.

2. Преобразование целых типов без знака.

3. Преобразования плавающих типов.

Ключевые термины

Базовые типы – это типы данных, которые предопределены стандартом языка, указываются зарезервированными ключевыми словами, характеризуются одним значением и внутренним представлением.

Вещественный тип – это базовый тип данных, который применяется для хранения дробных чисел в формате с плавающей точкой.

Логический (булевый) тип – это базовый тип данных, который применяется для хранения значений двузначной логики.

Неявное приведение типа – это преобразование значения переменной к новому типу, которое происходит автоматически, по правилам, заложенным в языке программирования.

Перечисляемый тип – это производный тип данных, он определяется как набор идентификаторов, являющихся именованными целыми константами, которым приписаны уникальные обозначения

Преобразование типов – это приведение значения переменной одного типа в значение другого типа.

Производные типы – это типы данных, которые задаются пользователем.

Символьный тип – это базовый тип данных, который применяется для хранения символов или управляющих последовательностей в виде кода.

Тип данных – это множество допустимых значений, которые может принимать тот или иной объект, а также множество допустимых операций, которые применимы к нему.

Типы класса – это типы данных, экземплярами которых являются объекты.

Целочисленный тип – это базовый тип данных, который применяется для хранения целых чисел.

Явное приведение типа – это преобразование значения переменной к новому типу, при котором указывается тип переменной, к которому необходимо привести исходную переменную.

Краткие итоги

Лабораторная работа 1. Типы данных в языке С++

Цель работы: изучить классификацию типов и их внутреннее представление в языке С++, научиться работать со стандартными и пользовательскими типами.

При выполнении лабораторной работы для каждого задания требуется написать программу на языке С++, которая получает на входе числовые данные, выполняет их обработку в соответствии с требованиями задания и выводит результат на экран. Ввод данных осуществляется с клавиатуры с учетом требований к входным данным, содержащихся в постановке задачи (к задачам 2 и 4 приведен рекомендуемый вид диалога во время работы программы). Ограничениями на входные данные является допустимый диапазон значений используемых числовых типов в языке С++.

Теоретические сведения.

Ознакомьтесь с материалом лекции 1.

Задания к лабораторной работе.

Выполните приведенные ниже задания.

Вычисление стоимости поездки на дачу.
Расстояние до дачи (км) – 67
Расход бензина (л на 100 км) – 8.5
Цена литра бензина (руб.) – 23.7
Поездка на дачу обойдется в 269 руб. 94 коп.

Преобразование числа в денежный формат.
Введите дробное число – 23,6
23.6 руб. – это 23 руб. 60 коп.

Указания к выполнению работы.

Каждое задание необходимо решить в соответствии с изученными методами обработки данных и преобразования типов данных в языке С++.

Следует реализовать каждое задание в соответствии с приведенными этапами:

Требования к отчету.

Отчет по лабораторной работе должен соответствовать следующей структуре.

Контрольные вопросы