Книга: Песни о Паскале

Глава 32 Порядковые типы данных

Глава 32

Порядковые типы данных

Вот поле битвы, где там и сям мелькают спины бегущего противника. Разгоряченные боем, наши полки готовы гнать его хоть на край света. Но что это? Зачем полководец прекращает атаку и велит трубить сбор? Поверьте, он знает свое дело: выигрыш битвы – ещё не победа в войне. Предстоят новые сражения, и надо укрепить армию: дать отдых бойцам, накормить, подлечить и вновь построить в боевые порядки.

Освоенные нами элементы Паскаля (считайте их нашим войском) разбили в пух и прах все поставленные задачи. Но, то ли ещё будет! Впереди сильнейший противник. Так соберем свою армию в кулак, соединим все, что нам известно о Паскале. В этой и двух последующих главах мы детально рассмотрим уже освоенные элементы языка, и в первую очередь – типы данных.

Кто из вас видел «предметы вообще»? Также не бывает и «данных вообще», – они обязательно принадлежат к тому либо иному типу. Учреждая переменную, параметр или функцию, потрудитесь сообщить их тип компилятору, иначе он не уяснит, сколько памяти отвести для этих данных и что позволено совершать с ними.

На рис. 73 представлены почти все типы данных, встроенные в язык Паскаль. Их принято делить на три категории: простые, сложные и указатели. К настоящему моменту вы знакомы со многими простыми типами данных и одним сложным – строковым типом String.

Чем разнятся сложные типы от простых? Тем ли, что сложные труднее изучать? Отчасти так, но суть не в этом. Сложные типы обладают внутренней структурой, в которой выделяются отдельные элементы. Так, например, можно выделить отдельные символы в строке. Простые же типы данных не «раскалываются» на мелкие детали.

А указатели? Их применяют для доступа к данным других типов. Указатель чем-то похож на адрес электронной почты или на гиперссылку, в свое время я расскажу об указателях все.

Сейчас направим внимание на простые типы данных с тем, чтобы снять гроздь, висящую на рис. 73 слева. Разобравшись с простыми типами, мы укрепим свой тыл и подготовим атаку на сложные типы данных. В этой главе ознакомимся с общими свойствами порядковых типов данных, а к вещественным обратимся в следующей главе.

Но прежде, чем дать общую характеристику порядковым типам, рассмотрим их по отдельности.

Целые числа образуют дружную «семью» из нескольких братьев. Вам пока знаком лишь один из них – это тип Integer, а где остальные? Начнем с двух младших братьев: типов Byte и ShortInt.

Изучая символы, мы узнали, что они кодируются целыми числами. Основной набор составляют 256 символов с кодами от 0 до 255 включительно. Этот диапазон значений может храниться в ячейке памяти, называемой байтом (BYTE). Байт – это наименьшая порция данных, адресуемая в памяти компьютера. Вы знаете, что байтом названа и единица измерения информации. Мог ли язык Паскаль пренебречь этим фактом? Нет, и ещё раз нет! В Паскале существует тип данных, который так и называется – Byte. Переменные типа Byte объявляются так:

var A, B, C : byte;

Байтовые переменные вмещают числа от 0 до 255. Это немного, но в некоторых случаях достаточно, и тогда применение байтовых переменных значительно экономит память.

Перейдем к брату-близнецу байта – коротышке ShortInt. Его имя расшифровывается как Short Integer – «короткое целое». Почему близнец? А потому, что он тоже занимает один байт памяти, но вмещает другой диапазон чисел – от минус 128 до плюс 127. Вместе с нулем получаются те же 256 значений. Этот тип данных тоже введен для экономии памяти. В самом деле, к чему тратить лишнюю память на переменные, хранящие маленькие числа? Отведем им один байт, только кодировать будем так, чтобы половина значений стала отрицательной. Так родился близнец-коротышка ShortInt.

Понятно, что ёмкости младших братьев хватает далеко не всегда, – даже количество дней в году не помещается в байтовой переменной. Для действий с более крупными числами программист обращается к средним братьям: типам Integer и Word. Каждый из них занимает по два байта памяти. Но если тип Integer вмещает диапазон чисел от минус 32768 до плюс 32767 (справедливо для Borland Pascal), то для типа Word диапазон сдвинут в положительную область и составляет от 0 до 65535. Кстати, название этого типа чисел – Word – переводится как «слово». Оно восходит ко временам 16-разрядных мини-ЭВМ, где длина так называемого машинного слова составляла два байта.

Когда не хватает ёмкости средних братьев, программисты зовут старшего – четырехбайтовый тип LongInt (Long Integer – «длинное целое»). Этот тип данных вмещает числа, превышающие два миллиарда. В табл. 2 представлены целочисленные типы данных языка Паскаль.

Примечание. Размеры и ёмкость целочисленных типов зависят от компилятора и его настроек. Так, в 32-разрядном компиляторе Delphi типы Integer и LongInt совпадают и представлены 4-мя байтами, а также имеется 8-байтовый тип Int64.

Табл. 2 – Целочисленные типы данных (для Borland Pascal)

Хорошо, ну а если и ёмкости LongInt недостаточно? Неужели это предел? Конечно, нет. Но рассмотренных целочисленных типов хватает в большинстве случаев, где требуется точный подсчет. Подчеркиваю ещё раз – точный. Вещественные числа, о которых я расскажу в следующей главе, вмещают огромные значения, но представляют их приближенно. Для точного представления громадных чисел используют сложные типы данных.

Конечно, вы догадались, что размер числового типа определяет его емкость, то есть диапазон возможных значений. А что случится при попытке выйти за этот диапазон? На ум приходит доверху наполненная чаша: очевидно, что лишняя капля стечет по стенке, и в чаше ничего не изменится. Так ли будет с числовой переменной? Вопрос не праздный, и, для ответа на него, проведем эксперимент.

{$R+ – включить проверку диапазонов }
var N : byte;
begin
      N:= 255; { 255 – максимальное значение для байта }
      N:= N+1;
      Writeln(N); Readln;
end.

Введите и откомпилируйте эту программу. В первой её строке вставлена директива, разрешающая компилятору следить за диапазонами числовых переменных. Эта директива соответствует флажку «Range checking» в окне опций компилятора (рис. 74).

Запуск программы приведет к сообщению об ошибке «Runtime Error 201». Это значит, что попытка превысить диапазон для байтовой переменной, вызвала аварию программы.

Теперь измените директиву в первой строке, отключив проверку диапазонов (замените знак «+» знаком «–»).

{$R- – отключить проверку диапазонов }

Этот вариант программы не выдаст сообщений об ошибке, но результат ошеломит вас – это будет ноль! Вот так чаша! Числовая переменная оказалась необычной посудой, – лишняя капля полностью опустошила её! И теперь можно вновь заполнять пустую чашу. Убедитесь в этом, поменяв единицу на другое слагаемое, например 5, – в результате сложения получится 4. Открытое нами явление называют переполнением (по-английски – OVERFLOW).

В следующем опыте запустим такую программу.

{$R- – отключить проверку диапазонов }
var N : byte;
begin
      N:= 0;       { 0 – минимальное значение для байта }
      N:= N-1;
      Writeln(N); Readln;
end.

Результат ещё удивительней: теперь программа напечатает число 255! То есть, удалив из пустой чаши несуществующую каплю, мы наполнили её доверху! Этот фокус называют антипереполнением, то есть переполнением наоборот.

Проделав опыты с переменными других числовых типов, вы убедитесь, что переполнение и антипереполнение может постигнуть любую из них. Так, добавление единицы к положительному числу 32767 в переменной типа INTEGER дает отрицательный результат -32768. Отсюда следует общее правило: добавление единицы к максимальному значению для числового типа дает минимальное значение. И наоборот: вычитание единицы из минимального значения дает максимальное. Рис. 75 наглядно показывает это.

Такая вот чудная арифметика! Причина переполнений и антипереполнений кроется в устройстве регистров процессора, — в свое время мы узнаем о них больше при изучении двоичной системы счисления. Или вспомните одометр — прибор для подсчёта пробега автомобиля: по достижении предельного количества километров (99999) одометр сбрасывается в ноль.

Сейчас важно понять, что присвоение переменной некоторого выражения не гарантирует правильного результата, – он будет верным лишь при отсутствии переполнений и антипереполнений. Когда в вычислении участвуют переменные разных типов, оно выполняется в самом емком формате, то есть в Longint, а затем результат «обрубается» в соответствии с типом принимающей переменной, например:

{ $R- }
var B: Byte; S: ShortInt;       W: Word; N: Integer;
      ...
      N:= B + S + W;

Здесь даже при положительных значениях всех суммируемых операндов, результат в переменной N может оказаться отрицательным! Если вам не по нраву такое поведение программы, включайте директиву проверки диапазонов $R+.

Угадайте, что чаще всего делают с целыми переменными? — прибавляют и вычитают единицу. Потому в процессорах стараются ускорить эти операции. Паскаль не обошел вниманием эту особенность программ, и предлагает вам две процедуры, объявленные так:

procedure Inc (var N : longint); { прибавление единицы к переменной N }
procedure Dec (var N : longint); { вычитание единицы из переменной N }

Хотя параметр N в процедурах объявлен как LONGINT, в действительности здесь может стоять переменная любого порядкового типа: INTEGER, WORD, BYTE, CHAR и даже BOOLEAN.

var B: byte; N: integer; C: char;
  ...
  Inc(B); { B:= B+1 }
  Dec(N); { N:= N–1 }
C:= ‘A‘; Inc(C); { ‘B‘}

Процедуры инкремента и декремента – так их называют – выполняются быстрее операторов присваивания N:=N+1 и N:=N-1.

Работающим в IDE Borland Pascal, следует учесть, что здесь процедуры инкремента и декремента не подвластны директиве $R+ (в отличие от сложения и вычитания). То есть, переполнения и антипереполнения не вызывают аварий.

Контроль переполнений директивой $R+ повышает надежность программ. Но порой нужны более сильные ограничения. Предположим, некая переменная M по смыслу является порядковым номером месяца в году. Стало быть, её значения должны быть ограничены диапазоном от 1 до 12. Программист может указать это компилятору, объявив переменную как диапазон, и явно задав допустимые пределы её изменения:

var M : 1..12;

Диапазон выражается двумя константами: минимальным и максимальным значениями, разделенными двумя точками. Теперь, при включенной директиве $R+, будет выдано сообщение об ошибке при попытке присвоить этой переменной любое значение за пределами 1…12. Во всем прочем диапазон – это обычный целочисленный тип (в данном случае – однобайтовый).

Рассмотрим ещё пример.

var M : 1..12;       { месяцы }
      D : 1..7;       { дни недели }
      …
      M:= D;       { здесь возможна смысловая ошибка }

Здесь объявлены две переменные: M – номер месяца в году, и D – номер дня недели. Это сделано через диапазоны, что гарантирует соблюдение границ. Но ничто не мешает нам присвоить месяцу значение дня, – ведь это не нарушит установленных пределов. Другое дело – смысл. Есть ли смысл в таком присваивании, или налицо ошибка программиста? Вероятней всего – последнее. Выявить ошибки такого рода помогает ещё один тип данных – перечисление.

Перечислением программист дает имена всем возможным значениям переменных, эти имена перечисляются внутри круглых скобок. Например, переменные M1 и M2 могут быть объявлены через сокращенные названия месяцев, а переменные D1 и D2 – через сокращенные названия дней недели.

var M1, M2 : (Jan,Feb,Mar,Apr,May,Jun,Jul,Aug,Sep,Oct,Nov,Dcb);
      D1, D2 : (Mond, Tues, Wedn, Thur, Frid, Satu, Sund);

Теперь компилятор разрешит присваивать переменным только объявленные значения, например:

      M1:= Apr;       { допустимо }
      M1:= M2;       { допустимо }
      M1:= 3;       { ошибка }
      M1:= Jan+2;       { ошибка }
      D2:= M1;       { ошибка }

Кстати, один из перечислимых типов вам знаком – это булев тип. Объявление булевой переменной равнозначно объявлению перечисления.

var B : ( FALSE, TRUE );       { равнозначно B : Boolean; }

Имена в перечислениях – это не строковые константы. Поэтому имя Jan и строка «Jan» совсем не одно и то же. Иначе говоря, оператор Write(M1) не напечатает вам название месяца, который содержится в переменной M1. Вы спросите, а как же печать булевых данных? Ведь они печатаются как «TRUE» и «FALSE». Да, но это единственное исключение.

Итак, вы познакомились с пятью числовыми типами данных, диапазонами и перечислениями. Вместе с булевым и символьным типами они составляют семейство порядковых типов данных, а значит, имеют общие свойства и области применения. Рассмотрим их.

Определение порядкового номера

Название «порядковый» говорит о том, что значения этих типов данных упорядочены относительно друг друга. С числами все ясно, – здесь порядок очевиден. А символы? Если вспомнить алфавит и таблицу кодировки символов, вопрос отпадет.

Хорошо, а как насчет перечислений и булевого типа? Оказывается, в памяти компьютера они тоже хранятся как числа. Например, упомянутое выше перечисление месяцев в памяти компьютера кодируется числами 0, 1, 2 и так далее, то есть как числовой диапазон 0..11. Таким образом, значение Jan соответствует нулю, Feb – единице и так далее. Подобным образом кодируются и булевы данные: FALSE – нулем, а TRUE – единицей.

В Паскале есть функция, определяющая числовой код данных любого порядкового типа. Она называется Ord (от Order – «порядок»), вот примеры её применения (в комментариях указаны результаты).

      Writeln ( Ord(5) );       { 5 }
      Writeln ( Ord(’F’) );       { 70 – по таблице кодировки}
      Writeln ( Ord(Mar) );       { 2 – смотри перечисление месяцев }
      Writeln ( Ord(False) );       { 0 }
      Writeln ( Ord(True) );       { 1 }

Для числа функция возвращает само число, для символа – код по таблице кодировки, а для перечислений – порядковый номер в перечислении, считая с нуля.

Сравнение

Из того, что данные порядковых типов кодируются числами, следует возможность их сравнения. Например, для перечислений месяцев и дней недели можно записать.

if M2 > M1 then … { если второй месяц больше первого }
if D1 = D2 then … { если дни совпадают }

Нельзя сравнивать данные разных перечислимых типов.

if M2 > D1 then …       { месяц и день – недопустимо }
if 'W' > 20 then …       { символ и число – недопустимо }

Но любые типы можно сравнить, приведя их к числовому типу.

if Ord(M2) = Ord(D1) then … { сравниваются числовые коды }
if Ord(’W’) > 20 then …       { сравнивается код символа с числом }

Прыг-скок

Итак, числа, символы, булевы данные, диапазоны и перечисления принадлежат к порядковым типам. В общем случае наращивать и уменьшать порядковые переменные путём сложения и вычитания нельзя (можно лишь числа и диапазоны). Но рассмотренные ранее процедуры инкремента (INC) и декремента (DEC) умеют это делать, они были введены в Паскаль фирмой Borland. Другим таким средством являются функции SUCC и PRED, которые существовали ещё в исходной «виртовской» версии языка.

Функция SUCC (от слова SUCCESS – «ряд», «последовательность») принимает значение порядкового типа и возвращает следующее значение того же самого типа, например:

      Writeln ( Succ(20) );       { 21 }
      Writeln ( Succ(’D’) );       { ’E’ }
      Writeln ( Succ(False) ); { True }
      m:= Succ(Feb);       { переменной m присвоено Mar }

Функция PRED (от PREDECESSOR – «предшественник») возвращает предыдущее значение порядкового типа:

      Writeln ( Pred(20) );       { 19 }
      Writeln ( Pred(’D’) );       { ’C’ }
      Writeln ( Pred(True) );       { False }
      m:= Pred(Feb);       { переменной m присвоено Jan }

Функции SUCC и PRED подчиняются директиве контроля диапазонов $R+. Например, следующие операторы вызовут аварийное прекращение программы:

{ $R+ }
      m:= Succ(Dcb); { превышение верхнего предела }
      m:= Pred(Jan); { выход за нижний предел }

В Borland Pascal есть одна тонкость: директива $R+ не действует, если функции SUCC и PRED вызываются для чисел, например:

{ $R+ }
var B : byte;
      ...
      B:=255; B:= Succ(B);       { нет реакции на переполнение }
      B:=0;       B:= Pred(B);       { нет реакции на антипереполнение }

В таких случаях в Borland Pascal имеет силу директива проверки переполнения $Q+, которая соответствует флажку «Overflow Checking» в окне опций компилятора (рис. 74). Директивы $R+ и $Q+ можно применять совместно, например:

{ $R+, Q+ }
var B : byte;       { допустимые значения для байта от 0 до 255 }
      C : ’a’..’z’; { это ограниченный диапазон символов }
      ...
      C:=’z’; C:= Succ(C);       { сработает R+ }
      B:=255; B:= Succ(B);       { сработает Q+ }

Счетчики циклов

В операторе FOR-TO-DO для счетчика цикла мы применяли числовые переменные. Теперь разнообразим меню: ведь для этого годятся переменные любого порядкового типа, например:

var m : (Jan,Feb,Mar,Apr,May,Jun,Jul,Aug,Sep,Oct,Nov,Dcb);
      ...
      for m:= Jan to Dcb do...

А вот так вычисляется сумма кодов для символов от «a» до «z», здесь счетчиком цикла является символьная переменная:

var Sum : word; Chr : char;
      ...
      Sum:=0;
      for Chr:= ’a’ to ’z’ do Sum:= Sum + Ord(Chr);

Метки в операторе выбора

Вот ещё одно следствие числового кодирования: любой порядковый тип может служить меткой в операторе CASE-OF-ELSE-END:

var c : char;
      ...
      Case c of
      ’0’..’9’: Writeln(’Цифра’);
      ’a’..’z’: Writeln(’Латинская строчная’);
      ’A’..’Z’: Writeln(’Латинская заглавная’);
      end;

А вот ещё пример.

type TMonth = (Jan,Feb,Mar,Apr,May,Jun,Jul,Aug,Sep,Oct,Nov,Dcb);
var m : TMonth; { здесь хранится один из месяцев }
      ...
      Case m of
      Jan, Feb, Dcb : Writeln(’Зима’);
      Mar..May       : Writeln(’Весна’);
      Jul..Aug       : Writeln(’Лето’);
      Sep..Nov       : Writeln(’Осень’);
      end;

Как видите, метки можно группировать, перечисляя их через запятую или объединяя в диапазон.

Директивы $R+ и $Q+ лучше использовать при отладке программы. В хорошо отлаженной программе таких ошибок возникать не должно, – за это отвечает программист. При компиляции окончательной версии эти директивы лучше отключить, чтобы не увеличивать размер программы и не замедлять её работу.

• Существуют три категории типов данных: простые, сложные и указатели.

• Простые типы данных делятся на порядковые и вещественные.

• К порядковым типам относятся целые числа, символы, перечисления и булевы данные.

• Целые числа представлены пятью типами, которые отличаются размерами и диапазонами.

• Присвоение переменной порядкового типа значения, выходящего за допустимый диапазон, влечет ошибку нарушения диапазона.

• При включенной директиве $R+ нарушение диапазона приводит к аварии программы, а при отключенной – к переполнению или антипереполнению.

• Функцией ORD можно определить код любого значения порядкового типа.

• Переход к следующему или предыдущему значению порядкового типа выполняется функциями SUCC и PRED.

• Для быстрого прибавления и вычитания единицы предпочтительней применять процедуры INC и DEC.

• Порядковые типы данных обладают рядом общих свойств, что позволяет применять их в счетчиках циклов и в метках оператора выбора.

А) Напомню, что функция SizeOf возвращает объём памяти, занимаемый переменной, например:

      Writeln( SizeOf( LongInt ) );       { 4 }
      Writeln( SizeOf( M1 ) );       { 1 }

Воспользуйтесь ею для распечатки размеров всех известных вам порядковых типов данных.

Б) Перечислимые типы и диапазоны строятся на базе других типов данных (Byte, ShortInt и так далее). Какие типы данных, по вашему мнению, будут положены в основу следующих диапазонов:

var N : -10..10;
      M : -200..200;
      R : 0..40000;
      L : 0..400000;
      S : ’0’..’9’;

В) Процедура печати Writeln не способна распечатать название месяца, представленного в перечислении. Напишите для этого свою собственную процедуру (объявите тип TMonth и воспользуйтесь оператором CASE).

Г) «Не думай о секундах свысока…». Штирлицу подарили секундомер, который показывал секунды, прошедшие с начала суток. Пусть ваша программа переведёт это число в привычные часы, минуты и секунды.

Подсказки: во-первых, примените операции DIV и MOD. Во-вторых, переменную для секунд объявите как LONGINT (а не INTEGER), поскольку количество секунд в сутках (86400) не поместится в типе INTEGER.

Оглавление книги