Типы данных

Содержание

• Общие пониятия
• Основные типы данных C++
• 1. Целочисленный тип (char, short (int), int, long (int), long long)
• 2. Тип с плавающей точкой (float, double (float))
• 3. Булевый (логический) тип (bool)
• 4. Символьный тип (char, wchar_t)
• 5.1. Массивы
• 5.2. Строки
• 6. Ссылка
• 7. Указатель
• 8. Перечисления
• Void
• Приведение типов
• Унарные и бинарные операции

Общие понятия

Типом данных в программировании называют совокупность двух множеств: множество значений и множество операций, которые можно применять к ним. Например, к типу данных целых неотрицательных чисел, состоящего из конечного множества натуральных чисел, можно применить операции сложения (+), умножения (*), целочисленного деления (/), нахождения остатка (%) и вычитания (−).

Язык программирования, как правило, имеет набор примитивных типов данных — типы, предоставляемые языком программирования как базовая встроенная единица. В C++ такие типы создатель¹ языка называет фундаментальными типами². Фундаментальными типами в C++ считаются:

• логический (bool);
• символьный (напр., char);
• целый (напр., int);
• с плавающей точкой (напр., float);
• перечисления (определяется программистом);
• void.

Поверх перечисленных строятся следующие типы:

• указательные (напр., int*);
• массивы (напр., char[]);
• ссылочные (напр., double&);
• другие структуры.

Перейдём к понятию литерала (напр., 1, 2.4F, 25e-4, ‘a’ и др.): литерал — запись в исходном коде программы, представляющаясобой фиксированное значение. Другими словами, литерал — это просто отображение объекта (значение) какого-либо типа в коде программы. В C++ есть возможность записи целочисленных значений, значений с плавающей точкой, символьных, булевых, строковых.

Литерал целого типа можно записать в:

• 10-й системе счисления. Например, 1205;
• 8-й системе счисления в формате 0 + число. Например, 0142;
• 16-й системе счисления в формате 0x + число. Например, 0x2F.

24, 030, 0x18 — это всё записи одного и того же числа в разных системах счисления.
Для записи чисел с плавающей точкой используют запись через точку: 0.1, .5, 4. — либо в
экспоненциальной записи — 25e-100. Пробелов в такой записи быть не должно.

Имя, с которым мы можем связать записанные литералами значения, называют переменной. Переменная — это поименованная либо адресуемая иным способом область памяти, адрес которой можно использовать для доступа к данным. Эти данные записываются, переписываются и стираются в памяти определённым образом во время выполнения программы. Переменная позволяет в любой момент времени получить доступ к данным и при необходимости изменить их. Данные, которые можно получить по имени переменной, называют значением переменной.
Для того, чтобы использовать в программе переменную, её обязательно нужно объявить, а при необходимости можно определить (= инициализировать). Объявление переменной в тексте программы обязательно содержит 2 части: базовый тип и декларатор. Спецификатор и инициализатор являются необязательными частями:

const int example = 3;
// здесь const — спецификатор
// int — базовый тип
// example — имя переменной
// = 3 — инициализатор.

Имя переменной является последовательностью символов из букв латинского алфавита (строчных и прописных), цифр и/или знака подчёркивания, однако первый символ цифрой быть не может³. Имя переменной следует выбирать таким, чтобы всегда было легко догадаться о том, что она хранит, например, «monthPayment». В конспекте и на практиках мы будем использовать для правил записи переменных нотацию CamelCase. Имя переменной не может совпадать с зарезервированными в языке словами, примеры таких слов: if, while, function, goto, switch и др.

Декларатор кроме имени переменной может содержать дополнительные символы:

• * — указатель; перед именем;
• *const — константный указатель; перед именем;
• & — ссылка; перед именем;
• [] — массив; после имени;
• () — функция; после имени.

Инициализатор позволяет определить для переменной её значение сразу после объявления. Инициализатор начинается с литерала равенства (=) и далее происходит процесс задания значения переменной. Вообще говоря, знак равенства в C++ обозначает операцию присваивания; с её помощью можно задавать и изменять значение переменной. Для разных типов он может быть разным.

Спецификатор задаёт дополнительные атрибуты, отличные от типа. Приведённый в примере спецификатор const позволяет запретить последующее изменение значение переменной. Такие неизменяемые переменные называют константными или константой.

Объявить константу без инициализации не получится по логичным причинам:

const int EMPTY_CONST; // ошибка, не инициализована константная переменная
const int EXAMPLE = 2; // константа со значением 2
EXAMPLE = 3; // ошибка, попытка присвоить значение константной переменной

Для именования констант принято использовать только прописные буквы, разделяя слова символом нижнего подчёркивания.

Основные типы данных в C++

Разбирая каждый тип, читатель не должен забывать об определении типа данных.

1. Целочисленный тип (char, short (int), int, long (int), long long)

Из названия легко понять, что множество значений состоит из целых чисел. Также множество значений каждого из перечисленных типов может быть знаковым (signed) или беззнаковым (unsigned). Количество элементов, содержащееся в множестве, зависит от размера памяти, которая используется для хранения значения этого типа. Например, для переменной типа char отводится 1 байт памяти, поэтому всего элементов будет:

• 2^8N = 2^{8 * 1} = 256, где N — размер памяти в байтах для хранения значения

В таком случае диапазоны доступных целых чисел следующие:

• [0..255] — для беззнакового char
• [-128..127] — для знакового char

По умолчанию переменная целого типа считается знаковой. Чтобы указать в коде, что переменная должна быть беззнаковой, к базовому типу слева приписывают признак знаковости, т.е. unsigned:

unsigned long values; // задаёт целый (длинный) беззнаковый тип.

Перечисленные типы отличаются только размерами памяти, которая требуется для хранения. Поскольку язык C++ достаточно машинно-зависимый стандарт языка лишь гарантирует выполнение следующего условия:

• 1 = размер char ≤ размер short ≤ размер int ≤ размер long.

Обычно размеры типов следующие: char — 1, short — 2, int — 4, long —8, long long — 8 байт.

Со значениями целого типа можно совершать арифметические операции: +, -, *, /, %; операции сравнения: ==, !=, <=, <, >, >=; битовые операции: &, |, xor, <<, >>.
Большинство операций, таких как сложение, умножение, вычитание и операции сравнения, не вызывают проблем в понимании. Иногда, после выполнения арифметических операций, результат может оказаться за пределами диапазона значений; в этом случае программа выдаст ошибку.
Целочисленное деление (/) находит целую часть от деления одного целого числа, на другое. Например:

• 6 / 4 = 1;
• 2 / 5 = 0;
• 8 / 2 = 4.

Символ процента (%) обозначает операцию определение остатка от деления двух целых чисел:

• 6 % 4 = 2;
• 10 % 3 = 1.

Более сложные для понимания операции — битовые: & (И), | (ИЛИ), xor (исключающее ИЛИ), << (побитовый сдвиг влево), >> (побитовый сдвиг вправо).

Битовые операции И, ИЛИ и XOR к каждому биту информации применяют соответствующую логическую операцию:

• 1₁₀ = 01₂
• 3₁₀ = 11₂
• 1₁₀ & 3₁₀ = 01₂ & 11₂ = 01₂
• 1₁₀ | 3₁₀ = 01₂ | 11₂ = 11₂
• 1₁₀ xor 3₁₀ = 01₂ xor 11₂ = 10₂

int blue_channel = 0x180013FF & 0x00FF0000;

Побитовый сдвиг смещает влево или вправо на столько двоичных разрядов числа, сколько указано в правой части операции. Например, число 39 для типа char в двоичном виде записывается в следующем виде: 00100111. Тогда:

char binaryExample = 39; // 00100111
char result = binaryExample << 2; // сдвигаем 2 бита влево, результат: 10011100

Если переменная беззнакового типа, тогда результатом будет число 156, для знакового оно равно -100. Отметим, что для знаковых целых типов единица в старшем разряде битового представления — признак отрицательности числа. При этом значение, в двоичном виде состоящие из всех единиц соответствует -1; если же 1 только в старшем разряде, а в остальных разрядах — нули, тогда такое число имеет минимальное для конкретного типа значения: для char это -128.

2. Тип с плавающей точкой (float, double (float))

Множество значений типа с плавающей точкой является подмножеством вещественных чисел, но не каждое вещественное число представимо в двоичном виде, что приводит иногда к глупым ошибкам:

float value = 0.2;
value == 0.2; // ошибка, value здесь не будет равно 0.2.

Работая с переменными с плавающей точкой, программист не должен использовать операцию проверки на равенство или неравенство, вместо этого обычно используют проверку на попадание в определённый интервал:

value - 0.2 < 1e-6; // ok, подбирать интервал тоже нужно осторожно

Помимо операций сравнения тип с плавающей точкой поддерживает 4 арифметические операции, которые полностью соответствуют математическим операциям с вещественными числами.

3. Булевый (логический) тип (bool)

Состоит всего из двух значений: true (правда) и false (ложь). Для работы с переменными данного типа используют логические операции: ! (НЕ), == (равенство), != (неравенство), && (логическое И), || (логическое ИЛИ). Результат каждой операции можно найти в соответствующей таблицы истинности. например:

4. Символьный тип (char, wchar_t)

Тип char — не только целый тип (обычно, такой тип называют byte), но и символьный, хранящий номер символа из таблицы символом ASCII. Например код 0x41 соответствует символу ‘A’, а 0x71 — ‘t’.

Иногда возникает необходимость использования символов, которые не закреплены в таблицы ASCII и поэтому требует для хранения более 1-го байта. Для них существует широкий символ (wchar_t).

5.1. Массивы

Массивы позволяют хранить последовательный набор однотипных элементов. Массив хранится в памяти непрерывным блоком, поэтому нельзя объявить массив, не указав его размер⁴. Чтобы объявить массив после имени переменной пишут квадратные скобки ([]) с указанием его размера. Например:

int myArray[5]; // Массив из 5-и элементов целого типа

Для инициализации массива значения перечисляют в фигурных скобках. Инициализировать таким образом можно только во время объявления переменной. Кстати, в этом случае необязательно указывать размер массива:

int odds[] = {1, 3, 7, 9, 11}; // Массив инициализируется 5-ю значениями

Для доступа к определённому значению в массиве (элемента массива) используют операцию доступа по индексу ([]) с указанием номера элемента (номера начинаются с 0). Например:

odds[0]; // доступ к первому элементу массива. Вернёт значение 1 
odds[2]; // доступ к третьему элементу. Вернёт значение 7
odds[4] = 13; // 5-му элементу массива присваиваем новое значение 
odds[5]; // ошибка доступа

5.3. Строки

Для записи строки программисты используют идею, что строка — последовательный ряд (массив) символов. Для идентификации конца строки используют специальный символ конца строки: ‘\0’. Такие специальные символы, состоящие из обратного слэша и идентифицирующего символа, называют управляющими или escape-символами. Ещё существуют, например, ‘\n’ — начало новой строки, ‘\t’ — табуляция. Для записи в строке обратного слэша применяют экранирование — перед самим знаком ставят ещё один слэш: ‘\’. Экранирование также применяют для записи кавычек.

Создадим переменную строки:

char textExample[5] = {‘T’, ‘e’, ‘s’, ‘t’, ‘\0’}; // записана строка «Test»

Существует упрощённая запись инициализации строки:

char textExample[5] = “Test”; // Последний символ не пишется, но размер всё ещё 5

Не вдаваясь в подробности, приведём ещё один полезный тип данных — string. Строки
такого типа можно, например, складывать:

string hello = "Привет, ";
string name = "Макс!";
string hello_name = hello + name; // Получится строка «Привет, Макс!»

6. Ссылка

Ссылка — объект, указывающий на какие-либо данные, но не хранящий их. Например:

int a = 2; // переменная «a» указывает на значение 2
int &b = a; // переменная «b» указывает туда же, куда и «a»
b = 4; // меняя значение b, программист меняет значение a. Теперь a = 4
int &c = 4; // ошибка, так делать нельзя, т.к. ссылка нельзя присвоить значение

Ссылка является весьма удобным средством для оптимизации выполнения программы, в чём читатель убедится, когда разговор зайдёт о функциях и передачи значений параметров в функции.

7. Указатель

Чтобы разобраться с этим типом данных, необходимо запомнить, что множество значений этого типа — адреса ячеек памяти, откуда начинаются данные. Также указатель поддерживает операции сложения (+), вычитания (-) и разыменовывания (*).

Адреса 0x0 означает, что указатель пуст, т.е. не указывает ни на какие данные. Этот адрес имеет свой литерал — NULL:

int *nullPtr = NULL; // пустой указатель

Сложение и вычитание адреса с целым числом или другим адресом позволяет
передвигаться по памяти, доступной программе.

Операция получения данных, начинающихся по адресу, хранящемуся в указателе, называется разыменовывания (*). Программа считывает необходимое количество ячеек памяти и возвращает значение, хранимое в памяти.

int valueInMemory = 2; // задаём переменну целого типа
int *somePtr = &valueIntMemory; // копируем адрес переменной, здесь & — возвращает адрес переменной
somePtr; // адрес ячейки памяти, например, 0x2F
*somePtr; // значение хранится в 4-х ячейках: 0x2F, 0x30, 0x31 и 0x32

Для указателей не доступна операция присваивания, которая синтаксически совпадает с операцией копирования. Другими словами, можно скопировать адрес другого указателя или адрес переменной, но определить значение адреса самому нельзя.

Сам указатель хранится в памяти, как и значения переменных других типов, и занимает 4 байта, поэтому можно создать указатель на указатель.

8. Перечисления

Перечисления единственный базовый тип, задаваемый программистом. По большому счёту перечисление — упорядоченный набор именованных целочисленных констант, при этом имя перечисления будет базовым типом.

enum color {RED, BLUE, GREEN};

По умолчанию, RED = 0, BLUE = 1, GREEN = 2. Поэтому значения можно сравнивать между собой, т.е. RED < BLUE < GREEN. Программист при объявлении перечисления может самостоятельно задать значения каждой из констант:

enum access {READ = 1, WRITE = 2, EXEC = 4};

Void

Синтаксически тип void относится к фундаментальным типам, но использовать его можно лишь как часть более сложных типов, т.к. объектов типа void не существует. Как правило, этот тип используется для информирования о том, что у функции нет возвращаемого значения либо в качестве базового типа указателя на объекты неопределённых типов:

void object; // ошибка, не существует объектов типа void 
void &reference; // ошибка, не существует ссылов на void 
void *ptr; // ok, храним указатель на неизвестный тип

Часто мы будем использовать void именно для обозначения того, что функция не возвращает никакого значения. С указателем типа void работают, когда программист берёт полностью на себя заботу о целостности памяти и правильном приведении типа.

Приведение типов

Часто бывает необходимо привести значение переменной одного типа к другому. В случае, когда множество значений исходного типа является подмножеством большего типа (например, int является подмножеством long, а long — double), компилятор способен неявно (implicitly) изменить тип значения.

int integer = 2;
float floating = integer; // floating = 2.0

Обратное приведение типа будет выполнено с потерей информации, так от числа с плавающей точкой останется только целая часть, дробная будет потеряна.

Существует возможность явного (explicitly) преобразования типов, для этого слева от переменной или какого-либо значения исходного типа в круглых скобках пишут тип, к которому будет произведено приведение:

int value = (int) 2.5;

Унарные и бинарные операции

Те операции, которые мы выполняли ранее, называют бинарными: слева и справа от символа операции находятся значения или переменные, например, 2 + 3. В языках программирования помимо бинарных операций также используют унарные операции, которые применяются к переменным. Они могу находится как слева, так и справа от переменной, несколько таких операций встречались ранее — операция разыменовывания (*) и взятие адреса переменной (&) являются унарными. Операторы «++» и «—» увеличивают и уменьшают значение целочисленной переменной на 1 соответственно, причём могу писаться либо слева, либо справа от переменной.

В C++ также применяется сокращённая запись бинарных операций на тот случай, когда в левой и правой частях выражения находится одна и та же переменная, т.е. выполняется какая-либо операция со значением переменной и результат операции заносится в ту же переменную:

a += 2; // то же самое, что и a = a + 2; 
b /= 5; // то же самое, что и b = b / 5; 
c &= 3; // то же самое, что и c = c & 3;

1. разработчиком стандарта языка C++ является Бьёрн Страуструп ↑
2. — типы, соответствующие базовым принципам организации компьютерной памяти и самым общим способам хранения информации ↑
3. регулярное выражение для имени выглядит следующим образом: [_A-Za-z][_A-Za-z0-9]* ↑
4. размером массива называют количество элементов в нём ↑