Структурированные данные и алгоритмы их обработки

ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Простые типы данных: переменные и константы

Реальные данные, которые обрабатывает программа, – это це­лые и вещественные числа, символы и логические величины. Эти простые типы данных называют базовыми. Все данные, обрабатыва­емые компьютером, хранятся в ячейках памяти компьютера, каждая из которых имеет свой адрес. Для того чтобы не следить за тем, по какому адресу будут записаны те или иные данные, в языках про­граммирования используется понятие переменной, позволяющее от­влечься от адреса ячейки памяти и обращаться к ней с помощью имени (идентификатора).

Переменная – именованный объект (ячейка памяти), кото­рый может изменять свое значение. Имя переменной указывает на значение, а способ ее хранения и адрес остаются скрытыми от про­граммиста. Кроме имени и значения, переменная имеет тип, опре­деляющий, какая информация находится в памяти. Тип переменной задает:

• используемый способ записи информации в ячейки памяти;

• необходимый объем памяти для ее хранения.

Объем памяти для каждого типа определяется таким образом, чтобы в него можно было поместить любое значение из допустимо­го диапазона значений данного типа. Например, тип «байт» может принимать значения от 0 до 255, что в двоичном коде (255₁₀ =11111111₂) соответствует ячейке памяти длиной в 8 бит (или 1 байт).

В алгоритмах все данные хранятся в виде переменных. Например, инструкция «Ввод двух чи­сел а, b» означает введение пользователем значений двух перемен­ных, а инструкция «К=К+1» означает увеличение значения перемен­ной К на единицу.

Если переменные присутствуют в программе, на протяжении всего времени ее работы – их называют статическими. Переменные, создающиеся и уничтожающиеся на разных этапах выполнения про­граммы, называют динамическими.

Все остальные данные в программе, значения которых не изме­няются на протяжении ее работы, называют константами или посто­янными. Константы, как и переменные, имеют тип. Их можно ука­зывать явно, например, в инструкции «К=К+1», 1 есть константа, или для удобства обозначать идентификаторами: pi = 3,1415926536. Только значение pi нельзя изменить, так как это константа, а не пе­ременная.

Структурированные данные и алгоритмы их обработки

Для повышения производительности и качества работы необхо­димо иметь данные, максимально приближенные к реальным анало­гам. Тип данных, позволяющий хранить вместе под одним именем несколько переменных, называется структурированным. Каждый язык программирования имеет свои структурированные типы. Рас­смотрим структуру, объединяющую элементы одного типа данных – массив.

Массивом называется упорядоченная совокупность однотипных величин, имеющих общее имя, элементы которой адресуются (раз­личаются) порядковыми номерами (индексами). В качестве иллюст­рации можно представить шкаф, содержащий множество пронуме­рованных ящиков (совокупность – «Ящик № 1», «Ящик № 2», «Ящик № 3» и т.д.; «Ящик» – общее имя всех ее элементов). Доступ к со­держимому конкретного ящика (элементу массива) осуществляется после выбора ящика по его номеру (индексу). Элементы массива в памяти компьютера хранятся по соседству, одиночные элементы про­стого типа такого расположения данных в памяти не предполагают. Массивы различаются количеством индексов, определяющих их эле­менты.

Одномерный массив (шкаф ящиков в один ряд) предполагает на­личие у каждого элемента только одного индекса. Примерами одно­мерных массивов служат арифметическая (а_i) и геометрическая (b_i) последовательности, определяющие конечные ряды чисел. Количе­ство элементов массива называют размерностью. При определении одномерного массива его размерность записывается в круглых скоб­ках, рядом с его именем. Например, если сказано: «задан массив А(10)», это означает, что даны элементы: a₁, a₂, ... , а₁₀. Рассмотрим алгоритмы обработки элементов одномерных массивов.

Ввод элементов одномерного массива осуществляется поэлемен­тно, в порядке, необходимом для решения конкретной задачи. Обыч­но, когда требуется ввести весь массив, порядок ввода элементов не важен, и элементы вводятся в порядке возрастания их индексов.

Рассмотрим двумерныймассив (шкаф с множеством ящиков, положение которых определяется двумя коорди­натами – по горизонтали и по вертикали). В математике двумерный массив (таблица чисел) называется матрицей. Каждый ее элемент имеет два индекса а_ij, первый индекс i определяет номер строки, в которой на­ходится элемент (координата по горизонтали), а второй, j – номер столбца (координата по вертикали). Двумерный массив характеризу­ется двумя размерностями N и М, определяющими число строк и столбцов соответственно.

Ввод элементов двумерного массива осуществляется построчно, в свою очередь, ввод каждой строки производится поэлементно, тем самым определяется циклическая конструкция, реализующая вложение циклов. Внешний цикл определяет номер вводимой строки (i), внутренний – номер элемента по столбцу (j). На рис. Представлен алгоритм ввода матрицы A(N на М).

Языки программирования

Компьютерная программа представляет собой логически упорядоченную последовательность команд, предназначен­ных для управления компьютером. Процессор компьютера – это большая интегральная схема. Все данные и команды он получает в виде электрических сигналов. В двоичном коде наличие сигнала опи­сывается понятием «1», а его отсутствие – понятием «0». Команды, обрабатываемые процессором, можно интерпретировать как ряд че­редующихся определенным образом единиц и нулей. То есть любая команда преобразуется в двоичное число. Таким образом, процессор исполняет программы, представляющие собой последовательность чисел и называемые машинным кодом.

Писать программы в машинных кодах очень сложно, причем с ростом размера программы эта задача усложняется. В компьютерах первого поколения использовались программы, написанные в ма­шинных кодах, причем для каждого компьютера существовал свой собственный машинный код. Числовая кодировка команд, адресов ячеек и обрабатываемых данных, зависимость вида программы от ее места в памяти не давали возможность следить за смыслом програм­мы. Это во многом ограничивало область применения компьютеров первого поколения. В тот период (начало 50-х гг.) средства програм­мирования и программное обеспечение только зарождались и были еще не развиты. Для того чтобы сделать программу читабельной и иметь возможность следить за ее смысловой структурой, придумали символический язык ассемблер, близкий к машинному (конец 50-х – начало 60-х гг.), в котором появилось понятие переменной. Ассемб­лер стал первым полноценным языком программирования. Благода­ря этому заметно уменьшилось время разработки и возросла надеж­ность программ. Для записи кодов операций и обрабатываемой информации в ассемблере используются стандартные обозначения, позволяющие записывать числа и текст в общепринятом виде, для кодов команд приняты мнемонические обозначения. Для обозначе­ния величин, размещаемых в памяти, можно применять имена. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд на числовые. Исполь­зование ассемблера сделало процесс программирование более нагляд­ным. Дальнейшее развитие этой идеи привело к созданию языков программирования высокого уровня, в которых длинные и сложные последовательности машинных кодов были заменены одним един­ственным обозначающим их словом – операторы.

Сегодня практически все программы создаются с помощью язы­ков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически пере­вести такую программу в машинный код пока невозможно.

Языки программирования – это формальные искусственные язы­ки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.

Алфавит – разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конст­рукции языка программирования из букв алфавита.

Семантика – система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработ­ки данных.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил опре­деляет основные понятия языка, такие как операторы, идентифика­торы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грам­матики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды про­цессора и учитывающие его особенности, называют языками низко­го уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентиро­ваны на конкретные команды процессора.

Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машин­ных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С по­мощью языков низкого уровня создаются компактные программы, так как программист получает доступ ко всем возмож­ностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой програм­мы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность и быстро­действие.

Языки программирования, имитирующие естественные, облада­ющие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в програм­ме, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компь­ютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тек­сты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках вы­сокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов).

Таким образом, языки программирования высокого уровня, ори­ентированные на решение больших содержательных прикладных за­дач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается про­цессором,