Типы данных
Информация, поступающая в компьютер, состоит из определенного множества данных, относящихся к какой-то проблеме, — это именно те данные, которые относятся к конкретной задаче и из которых требуется получить желаемый ответ. В математике классифицируют данные в соответствии с некоторыми важными характеристиками. Принято различать целые, вещественные и логические данные, множества, последовательности, векторы, матрицы (таблицы) и т.д. В обработке данных на компьютере классификация играет даже боRльшую роль.
Любая константа, переменная, выражение или функция относятся к некоторому типу. Тип данных определяет диапазон допустимых значений и операций, которые могут быть применены к этим значениям. Кроме того, тип данных задает формат представления объектов в памяти компьютера, ведь в конце концов любые данные будут представлены в виде последовательности двоичных цифр (нулей и единиц). Тип данных указывает, каким образом следует интерпретировать эту информацию. Тип любой величины может быть установлен при ее описании, а в некоторых языках может выводиться компилятором по ее виду (Fortran, Basic).
Например, если переменная имеет целочисленный тип данных, то таким образом определен диапазон значений, которые могут быть сохранены в этой переменной (целые числа) и определены операции, которые могут быть применены к этой переменной (арифметические, логические, возможность ввода и вывода значений этой переменной). Каждый язык программирования поддерживает один или несколько типов данных. Наличие в языке программирования типизации означает жесткую связку операций и типов объектов, над которыми их можно выполнять. Не все языки обладают таким свойством. Например, в языке С практически любые операции можно выполнять над любыми данными (например, складывать два символа или число с логическим значением, но в большинстве случаев такие операции бессмысленны и соответствуют ошибке в программе, на которую компилятор указать не сможет).
Классификация типов данных
Любые данные могут быть отнесены к одному из двух типов: простому (основному), форма представления которого определяется архитектурой ЭВМ, или сложному, конструируемому пользователем для решения конкретных задач. Данные простого типа — это символы, числа и т.п. элементы, дальнейшее дробление которых не имеет смысла. Из таких элементарных данных формируются структуры (сложные типы) данных.
Принято различать следующие типы данных:
Рассмотрим перечисленные типы данных подробнее.
Простые типы
Числовые типы. Значениями переменных таких типов являются числа. К ним могут применяться обычные арифметические операции, операции сравнения (в результате получается логическое значение). Принципиально различны в компьютерном представлении целые и вещественные типы.
Целочисленные типы данных делятся, в свою очередь, на знаковые и беззнаковые. Целочисленные со знаком могут принимать как положительные, так и отрицательные значения, а беззнаковые — только неотрицательные значения. Диапазон значений при этом определяется количеством разрядов, отводимых на представление конкретного типа в памяти компьютера (см. “Представление чисел”).
Символьный тип. Элемент этого типа хранит один символ. При этом могут использоваться различные кодировки, которые определяют, какому коду (двоичному числу) какой символ (знак) соответствует. К значениям этого типа могут применяться операции сравнения (в результате получается логическое значение). Символы считаются упорядоченными согласно своим кодам (номерам в кодовой таблице).
Логический тип. Данные этого типа имеют два значения: истина (true) и ложь (false). К ним могут применяться логические операции. Используется в условных выражениях, операторах ветвления и циклах. В некоторых языках, например С, является подтипом числового типа, при этом ложь = 0, истина = 1 (или истинным считается любое значение, отличное от нуля).
Перечислимый тип. Отражает самый прямолинейный способ описания простого типа — перечисление всех значений, относящихся к этому типу. Каждая константа такого типа получает свой порядковый номер, что позволяет реализовать ряд простых операций над этим типом, таких, как получить следующее по порядку значение данного типа.
Множество как тип данных в основном совпадает с обычным математическим понятием множества. Допустимы стандартные операции с множествами и проверка на принадлежность элемента множеству. В некоторых языках рассматривается как составной тип (массив логических значений, i-й элемент которого указывает, находится ли i в множестве), однако эффективней реализовывать множество как машинное слово (или несколько слов), каждый бит которого характеризует наличие соответствующего элемента в множестве.
Указатель (тип данных). Если описанные выше типы данных представляли какие-либо объекты реального мира, то указатели представляют объекты компьютерного мира, то есть являются исключительно компьютерными терминами. Переменная-указатель хранит адрес в памяти компьютера, указывающий на какую-либо информацию, как правило — на другую переменную.
Составные типы
Составные типы формируются на основе комбинаций простых типов.
Массив является индексированным набором элементов одного типа, простого или составного (см. “Операции с массивами”). Одномерный массив предназначен для компьютерной реализации такой структуры, как вектор, двухмерный массив — таблицы.
Строковый тип. Хранит строку символов. Вообще говоря, может рассматриваться как массив символов, но иногда рассматривается в качестве простого типа. Часто используется для хранения фамилий людей, названий предметов и т.п. К элементам этого типа может применяться операция конкатенации (сложения) строк. Обычно реализованы также операции сравнения над строками, в том числе операции “ ”, которые интерпретируются как сравнение строк согласно алфавитному порядку (алфавитом здесь является набор символов соответствующей кодовой таблицы). Во многих языках реализованы и специальные операции над строками: поиск заданного символа (подстроки), вставка символа, удаление символа, замена символа.
Запись. Наиболее общий метод получения составных типов из простых заключается в объединении элементов произвольных типов. Причем сами эти элементы могут быть, в свою очередь, составными. Так, человек описывается с помощью нескольких различных характеристик, таких, как имя, фамилия, дата рождения, пол, и т.д. Записью (в языке С — структурой) называется набор различных элементов (полей записи), хранимый как единое целое. При этом возможен доступ к отдельным полям записи. К полю записи применимы те же операции, что и к базовому типу, к которому это поле относится (тип каждого поля указывается при описании записи).
Последовательность. Данный тип можно рассматривать как массив бесконечного размера (память для него может выделяться в процессе выполнения программы по мере роста последовательности). Зачастую такой тип данных обладает лишь последовательным доступом к элементам. Под этим подразумевается, что последовательность просматривается от одного элемента строго к следующему, формируется же она путем добавления элементов в ее конец. В языке Pascal подобному типу соответствуют файловые типы данных.
Преимущества от использования типов данных
Типы данных защищают программы по крайней мере от следующих ошибок:
1. Некорректное присваивание. Пусть переменная объявлена как имеющая числовой тип. Тогда попытка присвоить ей символьное или какое-либо другое значение приведет к ошибке еще на этапе компиляции. Такого рода ошибки трудно отследить обычными средствами.
2. Некорректная операция. Типизация позволяет избежать попыток применения выражений вида “Hello world” + 1. Поскольку, как уже говорилось, все переменные в памяти хранятся как наборы битов, то при отсутствии типов подобная операция была выполнима (и могла дать результат вроде “Hello worle”!). С использованием типов такие ошибки отсекаются опять же на этапе компиляции.
3. Некорректная передача параметров в процедуры и функции (см. “Подпрограммы”). Если функция “синус” ожидает, что ей будет передан числовой аргумент, то передача ей в качестве параметра строки “Hello world” может иметь непредсказуемые последствия. При помощи контроля типов такие ошибки также отсекаются на этапе компиляции или приводят к ошибкам выполнения программы, если значения параметра вводятся с клавиатуры или файла.
Кроме того, типы данных позволяют программисту абстрагироваться от машинного представления информации в виде наборов нулей и единиц и строить программы, основываясь на знакомых понятиях, таких, как числа, множества, последовательности, и т.п. В конечном итоге это приводит к получению более надежных программ.
Методические программы
При изучении данной темы самое главное — разделить следующие понятия:
данные — тип данных — абстрактная структура данных — структура данных
Типом данныхпеременной называют множество значений, которые может принимать эта переменная, и множество операций, которые применимы к этим значениям.
Абстрактная структура данных (см. “Структуры данных”) — это некоторая математическая модель данных (см. выше), включающая различные операции, определенные в рамках этой модели. Для реализации абстрактной структуры в том или ином языке программирования используются структуры, которые представляют собой набор переменных, возможно различных типов данных, объединенных определенным образом. При этом одна и та же абстрактная структура данных может быть реализована через различные структуры языка программирования. Например, такая абстрактная структура данных, как список, может быть реализована с использованием массива, файла или списка динамических переменных. Примеры различных структур данных, реализующих абстрактную структуру граф, приведены в статье “Табличные модели” 2.
Изучение конкретных типов данных производится в процессе рассмотрения определенного языка программирования в курсе информатики. При этом нельзя совсем не касаться таких вопросов, как представление определенного типа данных в памяти компьютера и диапазон значений, которые могут принимать переменные каждого из типов. Рассказывать стоит и о преобразованиях типов, как автоматических, выполняемых компилятором при анализе операции присваивания, например, вещественной переменной целочисленного выражения, так и производимых программистом, например, при переводе текстовой информации в числовую и т.д.
Изучение особенностей представления целых чисел (а именно этот тип данных встречается в учебных задачах по программированию чаще всего) полезно проиллюстрировать следующим примером.
Пример. С помощью программы на языке Borland Pascal вычислим значение n! (факториал числа n). Версия языка в данном случае указана потому, что ею определяется количество разрядов, отводимых на переменные определенного типа. В данном случае на переменные типа integer отводится 16 бит, что определяет диапазон значений этого знакового типа от –32 768 до 32 767.
При запуске этой программы для n = 7, 8 и 10 мы получим 5040, –25 216 и 24 320 соответственно. Первое полученное значение является верным, второе (отрицательное) может натолкнуть программиста на мысль, что в результате арифметических действий произошел выход за границу диапазона значений типа, а вот третье число само по себе может показаться верным, хотя, конечно, это не так.
На этом примере можно показать, что правильный алгоритм решения задачи при неправильном выборе типов данных может привести к абсурдному результату. И при разработке программы одним из важных этапов является оценка возможных значений (в том числе промежуточных) используемых переменных и выбор подходящих типов данных.
Следует подчеркнуть, что для целого типа выход за диапазон значений не приводит к прерыванию работы процессора (компьютер выдает неверные результаты), а для вещественных чисел (переполнение порядка) — это аварийная ситуация (floating point error), которая не пройдет незамеченной.
Полезный блог
Пока вы учитесь программированию, придётся написать тысячи строк кода. После учёбы – ещё больше. А по сути всё это набор данных, различающихся по типам и структурам. Что такое структуры данных мы обсудим в следующих уроках, а о типах поговорим сейчас.
Данные – это информация, записанная в той форме, которая удобна компьютеру для обработки и передачи. Данные в языках программирования бывают разных типов. В JavaScript это:
— number – число;
— string – строка;
— boolean – логический тип данных;
— undefined – тип данных, у которых значение не определено;
— null – тип данных с «пустыми» значениями;
— object – тип данных, хранящий свойства и методы.
Во всех языках программирования свои типы данных и способы их обозначений. На курсе «Основы программирования» мы подробно рассмотрим три базовых типа данных в JavaScript:
— числа;
— строки;
— логические или булевы значения.
Для работы ничего дополнительно устанавливать не нужно, всё выполняется в браузере. Понадобится сайт https://codepen.io/, так называемая «песочница», где пишется код JS и сразу выводится результат.
Готовы? Начнём по порядку.
Числа
Для обозначения каждого типа данных в языках программирования используются специальные слова.
В JavaScript тип данных «число» имеет обозначение number.
Теперь посмотрим, как это работает:
1. Заходим на сайт https://codepen.io, регистрируемся и видим такое поле:
2. Во вкладке JS вводим команды:
Справка! В конце каждой строки с командой в JS необходимо ставить точку с запятой. Воспринимайте это как знак препинания в обычном языке, на котором вы говорите. Поставив ; вы сообщите компьютеру, что вы закончили одну «фразу» и начинаете следующую.
Оператор typeof() говорит компьютеру о том, что необходимо вывести в консоль тип введённых данных, а не сами данные.
Результат сразу отображается во вкладке Console:
Видим, что тип не отличается у обоих значений и указывается как number.
Строки
Строки – это второй базовый тип данных. В JavaScript они обозначаются как string.
В программировании строкой признаётся последовательность символов, включая буквы, числа и специальные символы (точка, запятая, кавычка, пробел и т. д.).
Справка! Числа определяются как тип данных string, если они заключены в кавычки. Тогда они признаются не числом (number), а одним из символов строки (string). Проверим:
Результат в консоли:
В программах строки указывают либо в одинарных кавычках-апострофах, либо в двойных кавычках – зависит от языка. В JS разрешено использовать и двойные, и одинарные кавычки по выбору.
При использовании одинарных кавычек, сложность возникает тогда, когда внутри строки стоит такой же символ. Например, ‘It’s cloudy day’. Английское местоимение It’s включает в себя апостроф. Если мы проставим три апострофа (в начале, в слове It’s и в конце строки), то компьютер обозначит конец строки после It:
В консоль выведется:
Как этого избежать?
В таких случаях мы используем экранирование – ставим перед символом внутри строки обратный слэш «\». Тогда фраза ‘it’s cloudy day’ примет вид ‘it\’s cloudy day’ и будет правильно считана:
В JavaScript мы можем писать подобные строки в двойных кавычках и результат сразу будет тот, что нужен:
Каждый символ в строке имеет порядковый номер – индекс. Его используют для того, чтобы указать компьютеру, к какому конкретно символу идёт обращение.
Справка! Отсчёт начинается с 0.
Например, в слове «синий» индексы присваиваются так:
Строки можно склеивать, вырезать из них части, срезать и проводить другие операции. Рассмотрим, как это сделать.
Практика
1. Вводим в «песочнице» строку ‘hello’ с помощью команды console.log() через typeof(). В консоли увидим тип string. А если введём числовое значение без кавычек 24.3, увидим тип number:
2. Попробуем ввести строку без typeof() и посмотрим на результат:
3. Выделим из строки отдельный символ. Например, букву B в слове LOFTBLOG. Эта буква стоит в строке на 5 месте, поэтому имеет индекс 4 (помним, что нумерация с 0). Чтобы обратиться к символу, мы указываем его индекс в квадратных скобках – [4]:
Выделение фрагмента строки
Для выделения фрагмента строки (подстроки) в JS используется три метода:
substring() – срез строки, где необходимо указать только первый или первый и последний символ через запятую.
Если укажем только первый, то отбразится часть строки от него и до конца. Если первый и последний – вырежем часть строки:
Справка! Последним считается не индекс последнего символа, который мы хотим выделить, а следующий за ним. Например, в слове LOFTBLOG, буква G имеет индекс 7, но последним считается индекс 8, так как правая граница в срез не входит.
В примере первым символом мы указали четвёртый – B, а последним тот, что находится под индексом 6. Это буква O. Но в консоли мы увидели только две буквы – BL. Это подтверждает то, что правая граница не входит в срез. Если мы захотим вырезать слово BLOG, но укажем последним символ под номером 7, а не 8, то получим:
Результат в консоли:
substr() – используется для выделения фрагмента с указанием индекса начального символа и количества символов после него, включая первый:
В качестве начального символа мы определили тот, что под индексом 1 – это первая O в слове LOFTBLOG. А через запятую попросили вывести 4 символа, включая его – это OFTB.
Логические (булевы) значения
Здесь за основу берутся логические выражения, на которые компьютер мог бы ответить «да, это верно» или «нет, это не верно». Буль принимает только два значения:
ложь – false
Они используются, когда программа принимает решение о том, что делать дальше, анализируя логическое значение выражений. Например, при выполнении алгоритма «ветвление»: если выражение верно, то программа идёт по одному алгоритму, если не верно, то по другому.
Не читали наш первый урок про логику и алгоритмы? Он здесь.
В JavaScript булевы значения имеют тип boolean, писать их нужно с маленькой буквы:
Консоль покажет тип:
Напишем логическое выражение и посмотрим, что выводится в консоль в качестве значений. Например, «три равно три».
Справка! Для проверки равенства в JavaScript необходимо прописывать 2 знака равно, так как одинарное равно уже используется для присваивания значений.
Как видим, значением логического выражения «3==3» является true, так как три действительно равно трём.
Если ввести ложное условие, то значение станет false:
Преобразование типов данных
Не все типы данных совместимы в программах. Например, по умолчанию нельзя сложить строку с числом. Чтобы не допустить ошибок, один тип необходимо преобразовать в другой.
Одна из особенностей языка JavaScript в том, что здесь выполняется неявное преобразование типов – язык сам понимает, в какой тип преобразовать данные, в зависимости от операции, которую мы выполняем.
Но в JS есть команды, которые позволяют сделать это самостоятельно – провести явное преобразование.
Для этого используются команды:
— String()
— Number()
— Boolean()
Число 2323, написанное без кавычек, имеет тип number. С помощью команды String() мы перевели его в тип string – строка. Это видно по отображению результата. Тип «число» указывается в консоли без кавычек. А тип «строка» в кавычках.
При преобразовании числа и строки в булевый тип, любое значение определяется, как true, кроме числового значения 0.
Если 0, написано как ‘0’, то это тип данных string и он определится, как true, а если мы напишем 0 без кавычек, то это тип данных number и при переводе в буль он равен значению false. Проверим:
Любые другие числа кроме 0 определятся как true.
Булевы значения можно преобразовать в числовой тип. Значению true соответствует 1, а false – 0:
При преобразовании булевых значений в тип «строка» мы увидим слова «true» и «false» в кавычках, что означает, что тип изменился, так как значения boolean пишутся без кавычек:
Виды типизации
Типизация, в зависимости от языка программирования, может быть одновременно:
— сильной или слабой;
— динамической или статической.
Если говорят, что у языка сильная типизация, это значит, что он не позволяет сочетать разные типы данных и не в силах автоматически их преобразовывать. Например, не получится сложить строку с числом в Python.
Слабая типизация означает, что язык программирования выполняет автоматическое (неявное) преобразование типов, в зависимости от операции, которая над данными производится. Например, так происходит в JavaScript.
Чем более сильная типизация у языка, на котором написан код, тем более надежной считается программа. Поскольку именно такая типизация защищает программиста от простых ошибок, которые трудно обнаружить: опечатки, введение данных неподходящего типа.
В языках с динамической типизацией тип данных не фиксируется и может быть разным у одних и тех же данных в разных частях кода.
А в статической типизации тип фиксируется при первом объявлении значений. Изменить это у нас не получится. Ошибка в типе обнаружится еще до запуска программы.
Домашнее задание
Напишите типы данных двух разных языков программирования. Укажите, с какой они типизацией. Например, JavaScript – язык со слабой и динамической типизацией.
Опишите, с помощью каких команд в выбранных языках можно преобразовать друг в друга три базовых типа данных: целое число, строка и булевы значения.
Тип данных
Тип данных
Тип данных (встречается также термин вид данных) — фундаментальное понятие теории программирования. Тип данных определяет множество значений, набор операций, которые можно применять к таким значениям и, возможно, способ реализации хранения значений и выполнения операций. Любые данные, которыми оперируют программы, относятся к определённым типам.
Содержание
История
Ещё в 1960-х г.г. Р. Хиндли (Roger Hindley) исследовал типизацию в комбинаторной логике. Его проблемной областью была типизация в языках, основаных на теории лямбда-исчисления. Позднее, в конце 1960-х годов, тот же учёный исследовал полиморфные системы типов. Позже, в 1970-х годах, Робин Милнер предложил практическую реализацию расширенной системы полиморфной типизации для языка функционального программирования ML.
Определение
Тип (сорт) — относительно устойчивая и независимая совокупность элементов, которую можно выделить во всём рассматриваемом множестве (предметной области). [1]
Полиморфный тип — представление набора типов как единственного типа.
Математически тип может быть определён двумя способами:
Необходимость использования типов данных
Типы данных различаются начиная с нижних уровней системы. Так, например, даже в Ассемблере х86 различаются типы «целое число» и «вещественное число». Это объясняется тем, что для чисел рассматриваемых типов отводятся различные объёмы памяти, используются различные регистры микропроцессора, а для операций с ними применяются различные команды Ассемблера и различные ядра микропроцессора.
Концепция типа данных появилась в языках программирования высокого уровня как естественное отражение того факта, что обрабатываемые программой данные могут иметь различные множества допустимых значений, храниться в памяти компьютера различным образом, занимать различные объёмы памяти и обрабатываться с помощью различных команд процессора.
Практическое применение
Как правило, типы языков программирования не всегда строго соответствуют подобным математическим типам. Например, тип «целое число» большинства языков программирования не соответствует принятому в математике типу «целое число», так как в математике указанный тип не имеет ограничений ни сверху, ни снизу, а в языках программирования эти ограничения есть. Как правило, в языках и системах имеется множество целых типов, отличающихся допустимым диапазоном значений (определяемым объёмом занимаемой памяти). Стоит отметить, что в большинстве реализаций языков и систем выход за границу целого типа (переполнение) не приводит к исключительной ситуации.
Современные языки программирования (включая Ассемблер) поддерживают оба способа задания типа (см. Определение). Так, в С++ тип enum является примером задания типа через набор значений. Определение класса (если рассматривать класс как тип данных) фактически является определением предиката типа, причём возможна проверка предиката как на этапе компиляции (проверка соответствия типов), так и на этапе выполнения (полиморфизм очень тесно связано с полиморфными типами). Для базовых типов подобные предикаты заданы создателями языка изначально.
Языки без типов
Теоретически не может существовать языков, в которых отсутствуют типы (включая полиморфные). Это следует из того, что все языки основаны на машине Тьюринга или на лямбда-исчислении. И в том, и в другом случае необходимо оперировать как минимум одним типом данных — хранящимся на ленте (машина Тьюринга) или передаваемым и возвращаемым из функции (лямбда-исчисление). Ниже перечислены языки программирования по способу определения типов данных:
3) Языки с типом, определяемым пользователем. Также хорошо известны языки, в которых типы данных определяются автоматически, а не задаются пользователем. Каждой переменной, параметру, функции приписывается определённый тип данных. В этом случае для любого выражения возможность его выполнения и тип полученного значения могут быть определены без исполнения программы. Такой подход называют «статической типизацией». При этом правила обращения с переменными, выражениями и параметрами разных типов могут быть как очень строгими (С++), так и весьма либеральными (Си). Например, в классическом языке Си практически все типы данных совместимы — их можно применять совместно в любых выражениях, присваивать значение переменной одного типа переменной другого почти без ограничений. При таких операциях компилятор генерирует код, обеспечивающий преобразование типов, а логическая корректность такого преобразования остаётся на совести программиста. Подобные языки называют «языками со слабой типизацией». Противоположнось им — «языки с сильной типизацией», такие как Ада. В них каждая операция требует операндов строго заданных типов. Никакие автоматические преобразования типов не поддерживаются — их можно выполнить только явно, с помощью соответствующих функций и операций. Сильная типизация делает процесс программирования более сложным, но даёт в результате программы, содержащие заметно меньше труднообнаруживаемых ошибок.
На практике языки программирования поддерживают несколько моделей определения типов одновременно.
Базовые типы
Каждый язык программирования поддерживает один или несколько встроенных типов данных (базовых типов) (см. классификацию типов данных), кроме того, развитые языки программирования предоставляют программисту возможность описывать собственные типы данных, комбинируя или расширяя существующие.
Преимущества от использования типов данных
Классификация типов данных [2] [3]
Типы данных бывают следующие:
Процесс проверки и накладывания ограничений типов — контроля типов, может выполняться во время компилирования (статическая проверка) или во время выполнения (динамическая проверка).
Контроль типов также может быть строгим и слабым.