Что определяет тип данных в программировании
Структура языка программирования
Содержание
Дополнительно
Классификация типов данных
Для простых типов данных определяются границы диапазона и количество байт, занимаемых ими в памяти компьютера.
В большинстве языков программирования, простые типы жестко связаны с их представлением в памяти компьютера. Компьютер хранит данные в виде последовательности битов, каждый из которых может иметь значение 0 и 1. Фрагмент данных в памяти может выглядеть следующим образом
Данные на битовом уровне (в памяти) не имеют ни структуры, ни смысла. Как интерпретировать данные, как целочисленное число, или вещественное, или символ, зависит от того, какой тип имеют данные, представленные в этой и последующих ячейках памяти.
Числовые типы данных
Целочисленные типы данных
Исходя из машинного представления целого числа, в ячейке памяти из n бит может хранится 2 n для беззнаковых, и 2 n-1 для знаковых типов.
Рассмотрим теперь конкретные целочисленные типы в трёх языках.
У некоторых типов есть приписка «16 разрядов» или «32 разряда». Это означает, что в зависимости от разрядности операционной системы и компилятора данный тип будет находится в соответствующем диапазоне. По-этому, рекомендуется не использовать int, unsigned int, а использовать их аналоги, но уже жестко определенные, short, long, unsigned short, unsigned long.
В Java нет беззнаковых целочисленных типов данных.
Вещественные типы данных
Числа вещественного типа данных задаются в форме чисел с плавающей запятой.
Плавающая запятая — форма представления действительных чисел, в которой число хранится в форме мантиссы и показателя степени. В случае языков программирования, любое число может быть представлено в следующем виде
Вывод: вещественные типы данных, в отличии от целочисленных, характеризуются диапазоном точности и количеством значащих разрядов.
Рассмотрим конкретные типы данных в наших трёх языках.
Тип decimal создан специально для операций высокой точности, в частности финансовых операций. Он не реализован как примитивный тип, по-этому его частое использование может повлиять на производительность вычислений.
Символьный тип данных
Значение переменной этого типа данных представляет собой один символ. В действительности, это есть целое число. В зависимости от кодировки, это число превращается в некий символ. Данные типы данных характеризуются лишь размером выделяемой под них памяти.
Логический тип данных
Перечислимый тип данных
Во внутреннем представлении, это целочисленный тип данных, только здесь пользователь вместо числе использует заранее определенные строковые значения.
Чтобы прочувствовать эту концепцию, приведем пример на языке С++ (в С# и Java аналогично)
Теперь переменные перечислимого типа Forms могут принимать лишь значения, определенные в примере кода. Это очень удобно, ведь мы уже оперируем не с числами, а с некими смысловыми значениями, замечу лишь, что для компьютера эти значения всё-равно являются целыми числами.
Массив
Каждый массив характеризуется типом данных его элементов, который может быть как простым, так и сложным, то есть любым.
В языках программирования нельзя оперировать всем массивом, работают с конкретным элементом. Чтобы доступиться до него в трёх рассматриваемых нами языках используют оператор «[]».
Структура
Структуры реализованы в языке программирования, чтобы собрать некие близки по смыслу вещи воедино.
Например, есть колесо автомобиля. У колеса есть диаметр, толщина, шина. Шина в свою очередь является структурой, у которой есть свои параметры: материал, марка, чем заполнена. Естественно, для каждого параметра можно создать свою переменную или константу, у нас появится большое количество переменных, которые, чтобы понять к чему они относятся, нужно в именах общую часть выделять. Имена будут нести лишнюю смысловую нагрузку. Получается запутанная история. А так мы определяем две структуры, а затем параметры в них.
Класс
Еще одним пользовательским типом данных является класс. Класс умеет всё, что и структура, но кроме параметров, у него есть и методы, и поддерживает большое количество вещей, связанных с объектно-ориентированным программированием.
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.
Что определяет тип данных в программировании
Концепция типов данных является важнейшей стороной любого языка программирования.
В Си/Си++ имеется четыре базовых арифметических (числовых) типа данных. Из них два целочисленных — char, int — и два плавающих (вещественных) — float и double. Кроме того, в программах можно использовать некоторые модификации этих типов, описываемых с помощью служебных слов — модификаторов. Существуют два модификатора размера — short (короткий) и long (длинный) — и два модификатора знаков — signed (знаковый) и unsigned (беззнаковый). Знаковые модификаторы применяются только к целым типам.
Как известно, тип величины связан с ее формой внутреннего представления, множеством принимаемых значений и множеством операций, применимых к этой величине. В табл. 1 перечислены арифметические типы данных Си++, указан объем занимаемой памяти и диапазон допустимых значений.
Размер типа int и unsigned int зависит от размера слова операционной системы, в которой работает компилятор Си++. В 16-разрядных ОС (MS DOS) этим типам соответствуют 2 байта, в 32-разрядных (Windows) — 4 байта.
Эквивалентные названия типа
зависит от системы
зависит от системы
short, signed short int
unsigned short int
long, signed long int
Анализируя данные табл. 1, можно сделать следующие выводы:
o если не указан базовый тип, то по умолчанию подразумевается int;
o если не указан модификатор знаков, то по умолчанию подразумевается signed;
o с базовым типом float модификаторы не употребляются;
o модификатор short применим только к базовому типу int.
Программисту, работавшему на Паскале, покажется странным, что тип char причислен к арифметическим типам. Ведь даже его имя указывает на то, что это символьный тип! В Си/Си++ величины типа char могут рассматриваться в программе и как символы, и как целые числа. Все зависит от контекста, т. е. от способа использования этой величины. В случае интерпретации величины типа char как символа ее числовое значение является ASCII-кодом. Следующий пример иллюстрирует сказанное.
printf(«%c»,а); /*На экране появится символ А*/
printf(«%d»,a); /*На экране появится число 65*/
Символы «%с» являются спецификацией формата ввода/вывода символьных данных, a «%d» — спецификацией для целых чисел.
Еще одной особенностью Си является отсутствие среди базовых типов логического типа данных. Между тем, как мы дальше увидим, в Си используются логические операции и логические выражения. В качестве логических величин в Си/Си++ выступают целые числа. Интерпретация их значений в логические величины происходит по правилу: равно нулю — ложь, не равно нулю — истина.
В последние версии Си++ добавлен отдельный логический тип с именем bool. Его относят к разновидности целых типов данных.
Описание переменных в программах на Си/Си++ имеет вид:
unsigned char code;
unsigned long long number;
long double max__num;
Одновременно с описанием можно задать начальные значения переменных. Такое действие называется инициализацией переменных. Описание с инициализацией производится по следующей схеме:
тип имя_переменной = начальное_значение
unsigned int year=2 000;
Тип константы компилятор определяет по следующим правилам: если значение константы лежит в диапазоне типа int, то она получает тип int; в противном случае проверяется, лежит ли константа в диапазоне типа unsigned int, в случае положительного ответа она получает этот тип; если не подходит и он, то пробуется тип long и, наконец, unsigned long. Если значение числа не укладывается в диапазон типа unsigned long, то возникает ошибка компиляции.
3.14159F — константа типа float, под которую выделяется 4 байта памяти;
3.14L — константа типа long double, занимает 10 байт;
50000U — константа типа unsigned int, занимает 2 байта памяти (вместо четырех без суффикса);
0LU — константа типа unsigned long, занимает 4 байта;
24242424UL — константа типа unsigned long, занимает 4 байта.
Особую разновидность символьных констант представляют так называемые управляющие символы. Их назначение — управление выводом на экран. Как известно, такие символы расположены в начальной части кодовой таблицы ASCII (коды от 0 до 31) и не имеют графического представления. В программе на Си они изображаются парой символов, первый из которых ‘ \ ‘. Вот некоторые из управляющих символов:
‘ \ n ‘ — переход на новую строку;
‘ \t’ — горизонтальная табуляция;
Управляющие символьные последовательности являются частным случаем эскейп-последовательностей (ESC-sequence), с помощью которых можно задать символьную константу указанием ее кода. Код символа можно указать в восьмеричном или в шестнадцатеричном представлении. Формат восьмеричного представления: ‘\ddd’. Здесь d — восьмеричная цифра (от 0 до 7). Формат шестнадцатеричного представления:’ \xhh’ (или ‘ \xhh’), где h — шестнадцатеричная цифра (от 0 до F). Например, константа, соответствующая заглавной латинской букве А, может быть представлена тремя способами: ‘А’, ‘\101’, ‘\х41’.
const float pi=3.14159;
const int iMIN=l, iMAX=1000;
#define константы> Оначение константы>
Тип констант явно не указывается и определяется по форме записи. В конце директивы не ставится точка с запятой.
На стадии препроцессорной обработки указанные имена заменяются на соответствующие значения. Например, если в программе присутствует оператор
то в результате препроцессорной обработки он примет вид:
При этом идентификаторы iMAX и iMIN не требуют описания внутри программы.
В результате имени А будет сопоставлена константа 0, имени B — константа 1, C — 2, D — 3. По умолчанию значение первой константы равно нулю.
Для любой константы можно явно указать значение. Например:
В результате будут установлены следующие соответствия: А=10, B=11, C=12, D=13.
Возможен и такой вариант определения перечисления:
Если перечисляемому типу дать имя, то его можно использовать в описании переменных. Например:
Здесь идентификатор metal становится именем типа. После такого описания в программе возможны следующие операторы:
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.