Лекция № 1
Тема:
«Понятие структур данных и алгоритмов.
Статические
структуры данных»
План лекции
1. Понятие структур данных и алгоритмов.
2. Классификация структур данных
3. Операции над структурами данных
4. Структурность данных и технология программирования
5. Анализ сложности и эффективности алгоритмов и структур данных
6. Статистические структуры данных
1. Понятие структур данных и алгоритмов.
Структуры данных и алгоритмы служат теми материалами, из которых строятся программы. Более того, сам компьютер состоит из структур данных и алгоритмов. Встроенные структуры данных представлены теми регистрами и словами памяти, где хранятся двоичные величины. Заложенные в конструкцию аппаратуры алгоритмы - это воплощенные в электронных логических цепях жесткие правила, по которым занесенные в память данные интерпретируются как команды, подлежащие исполнению. Поэтому в основе работы всякого компьютера лежит умение оперировать только с одним видом данных - с отдельными битами, или двоичными цифрами. Работает же с этими данными компьютер только в соответствии с неизменным набором алгоритмов, которые определяются системой команд центрального процессора.
Задачи, которые решаются с помощью компьютера, редко выражаются на языке битов. Как правило, данные имеют форму чисел, литер, текстов, символов и более сложных структур типа последовательностей, списков и деревьев. Еще разнообразнее алгоритмы, применяемые для решения различных задач; фактически алгоритмов не меньше чем вычислительных задач.
Для точного описания абстрактных структур данных и алгоритмов программ используются такие системы формальных обозначений, называемые языками программирования, в которых смысл всякого предложения определятся точно и однозначно. Среди средств, представляемых почти всеми языками программирования, имеется возможность ссылаться на элемент данных, пользуясь присвоенным ему именем, или, иначе, идентификатором. Одни именованные величины являются константами, которые сохраняют постоянное значение в той части программы, где они определены, другие - переменными, которым с помощью оператора в программе может быть присвоено любое новое значение. Но до тех пор, пока программа не начала выполняться, их значение не определено.
Имя константы или переменной помогает программисту, но компьютеру оно ни о чем не говорит. Компилятор же, транслирующий текст программы в двоичный код, связывает каждый идентификатор с определенным адресом памяти. Но для того чтобы компилятор смог это выполнить, нужно сообщить о "типе" каждой именованной величины. Человек, решающий какую-нибудь задачу "вручную", обладает интуитивной способностью быстро разобраться в типах данных и тех операциях, которые для каждого типа справедливы. Так, например, нельзя извлечь квадратный корень из слова или написать число с заглавной буквы. Одна из причин, позволяющих легко провести такое распознавание, состоит в том, что слова, числа и другие обозначения выглядят по-разному. Однако для компьютера все типы данных сводятся в конечном счете к последовательности битов, поэтому различие в типах следует делать явным.
Типы данных, принятые в языках программирования, включают натуральные и целые числа, вещественные (действительные) числа (в виде приближенных десятичных дробей), литеры, строки и т.п.
В некоторых языках программирования тип каждой константы или переменной определяется компилятором по записи присваиваемого значения; наличие десятичной точки, например, может служить признаком вещественного числа. В других языках требуется, чтобы программист явно задал тип каждой переменной, и это дает одно важное преимущество. Хотя при выполнении программы значение переменной может многократно меняться, тип ее меняться не должен никогда; это значит, что компилятор может проверить операции, выполняемые над этой переменной, и убедиться в том, что все они согласуются с описанием типа переменной. Такая проверка может быть проведена путем анализа всего текста программы, и в этом случае она охватит все возможные действия, определяемые данной программой.
В зависимости от назначения языка программирования защита типов, осуществляемая на этапе компиляции, может быть более или менее жесткой. Так, например, язык PASCAL, изначально являвшийся прежде всего инструментом для иллюстрирования структур данных и алгоритмов, сохраняет от своего первоначального назначения весьма строгую защиту типов. PASCAL-компилятор в большинстве случаев расценивает смешение в одном выражении данных разных типов или применение к типу данных несвойственных ему операций как фатальную ошибку. Напротив, язык C, предназначенный прежде всего для системного программирования, является языком с весьма слабой защитой типов. C-компиляторы в таких случаях лишь выдают предупреждения. Отсутствие жесткой защиты типов дает системному программисту, разрабатывающему программу на языке C, дополнительные возможности, но такой программист сам отвечает за правильность своих действий.
Структура данных относится, по существу, к "пространственным" понятиям: ее можно свести к схеме организации информации в памяти компьютера. Алгоритм же является соответствующим процедурным элементом в структуре программы - он служит рецептом расчета.
Первые алгоритмы были придуманы для решения численных задач типа умножения чисел, нахождения наибольшего общего делителя, вычисления тригонометрических функций и других. Сегодня в равной степени важны и нечисленные алгоритмы; они разработаны для таких задач, как, например, поиск в тексте заданного слова, планирование событий, сортировка данных в указанном порядке и т.п. Нечисленные алгоритмы оперируют с данными, которые не обязательно являются числами; более того, не нужны никакие глубокие математические понятия, чтобы их конструировать или понимать. Из этого, однако, вовсе не следует, что в изучении таких алгоритмов математике нет места; напротив, точные, математические методы необходимы при поиске наилучших решений нечисленных задач при доказательстве правильности этих решений.
Структуры данных, применяемые в алгоритмах, могут быть чрезвычайно сложными. В результате выбор правильного представления данных часто служит ключом к удачному программированию и может в большей степени сказываться на производительности программы, чем детали используемого алгоритма. Вряд ли когда-нибудь появится общая теория выбора структур данных. Самое лучшее, что можно сделать,- это разобраться во всех базовых "кирпичиках" и в собранных из них структурах. Способность приложить эти знания к конструированию больших систем - это прежде всего дело инженерного мастерства и практики.
2. Классификация структур данных
Независимо от содержания и сложности любые данные в памяти ЭВМ представляются последовательностью двоичных разрядов, или битов, а их значениями являются соответствующие двоичные числа. Данные, рассматриваемые в виде последовательности битов, имеют очень простую организацию или, другими словами, слабо структурированы. Для человека описывать и исследовать сколько-нибудь сложные данные в терминах последовательностей битов весьма неудобно. Более крупные и содержательные, нежели бит, "строительные блоки" для организации произвольных данных получаются на основе понятия "структуры данного".
Под СТРУКТУРОЙ ДАННЫХ в общем случае понимают множество элементов данных и множество связей между ними. Такое определение охватывает все возможные подходы к структуризации данных, но в каждой конкретной задаче используются те или иные его аспекты. Поэтому вводится дополнительная классификация структур данных, направления которой соответствуют различным аспектам их рассмотрения. Прежде чем приступать к изучению конкретных структур данных, дадим их общую классификацию по нескольким признакам.
Понятие "ФИЗИЧЕСКАЯ структура данных" отражает способ физического представления данных в памяти машины и называется еще структурой хранения, внутренней структурой или структурой памяти.
Рассмотрение структуры данных без учета ее представления в машинной памяти называется абстрактной или ЛОГИЧЕСКОЙ структурой. В общем случае между логической и соответствующей ей физической структурами существует различие, степень которого зависит от самой структуры и особенностей той среды, в которой она должна быть отражена. Вследствие этого различия существуют процедуры, осуществляющие отображение логической структуры в физическую и, наоборот, физической структуры в логическую. Эти процедуры обеспечивают, кроме того, доступ к физическим структурам и выполнение над ними различных операций, причем каждая операция рассматривается применительно к логической или физической структуре данных.
Различаются ПРОСТЫЕ (базовые, примитивные) структуры (типы) данных и ИНТЕГРИРОВАННЫЕ (структурированные, композитные, сложные). Простыми называются такие структуры данных, которые не могут быть расчленены на составные части, большие, чем биты. С точки зрения физической структуры важным является то обстоятельство, что в данной машинной архитектуре, в данной системе программирования мы всегда можем заранее сказать, каков будет размер данного простого типа и какова структура его размещения в памяти. С логической точки зрения простые данные являются неделимыми единицами. Интегрированными называются такие структуры данных, составными частями которых являются другие структуры данных - простые или в свою очередь интегрированные. Интегрированные структуры данных конструируются программистом с использованием средств интеграции данных, предоставляемых языками программирования.
В зависимости от отсутствия или наличия явно заданных связей между элементами данных следует различать НЕСВЯЗНЫЕ структуры (векторы, массивы, строки, стеки, очереди) и СВЯЗНЫЕ структуры (связные списки).
Весьма важный признак структуры данных - ее изменчивость - изменение числа элементов и (или) связей между элементами структуры. В определении изменчивости структуры не отражен факт изменения значений элементов данных, поскольку в этом случае все структуры данных имели бы свойство изменчивости. По признаку изменчивости различают структуры СТАТИЧЕСКИЕ, ПОЛУСТАТИЧЕСКИЕ, ДИНАМИЧЕСКИЕ. Классификация структур данных по признаку изменчивости приведена на рис. 1.1. Базовые структуры данных, статические, полустатические и динамические характерны для оперативной памяти и часто называются оперативными структурами. Файловые структуры соответствуют структурам данных для внешней памяти.
Рис. 1.1. Классификация структур данных
Важный признак структуры данных - характер упорядоченности ее элементов. По этому признаку структуры можно делить на ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ структуры.
В зависимости от характера взаимного расположения элементов в памяти линейные структуры можно разделить на структуры с ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ распределением элементов в памяти (векторы, строки, массивы, стеки, очереди) и структуры с ПРОИЗВОЛЬНЫМ СВЯЗНЫМ распределением элементов в памяти (односвязные, двусвязные списки). Пример нелинейных структур - многосвязные списки, деревья, графы.
В языках программирования понятие "структуры данных" тесно связано с понятием "типы данных". Любые данные, т.е. константы, переменные, значения функций или выражения, характеризуются своими типами.
Информация по каждому типу однозначно определяет:
1) структуру хранения данных указанного типа, т.е. выделение памяти и представление данных в ней, с одной стороны, и интерпретирование двоичного представления, с другой;
2) множество допустимых значений, которые может иметь тот или иной объект описываемого типа;
3) множество допустимых операций, которые применимы к объекту описываемого типа.
При описании базовых (простых) типов и при конструировании сложных типов мы ориентировались в основном на язык PASCAL. Этот язык использовался и во всех иллюстративных примерах. PASCAL был создан Н.Виртом специально для иллюстрирования структур данных и алгоритмов и традиционно используется для этих целей. Читатель знакомый с любым другим процедурным языком программирования общего назначения (C, FORTRAN, ALGOL, PL/1 и т.д.), без труда найдет аналогичные средства в известном ему языке.
3. Операции над структурами данных
Над любыми структурами данных могут выполняться четыре общие операции: создание, уничтожение, выбор (доступ), обновление.
Операция создания заключается в выделении памяти для структуры данных. Память может выделяться в процессе выполнения программы или на этапе компиляции. В ряде языков (например, в С) для структурированных данных, конструируемых программистом, операция создания включает в себя также установку начальных значений параметров, создаваемой структуры.
Например, в PL/1 оператор DECLARE N FIXED DECIMAL приведет к выделению адресного пространства для переменной N. В FORTRAN ( Integer I ), в PASCAL ( I:integer ), в C ( int I ) в результате описания типа будет выделена память для соответствующих переменных. Для структур данных, объявленных в программе, память выделяется автоматически средствами систем программирования либо на этапе компиляции, либо при активизации процедурного блока, в котором объявляются соответствующие переменные. Программист может и сам выделять память для структур данных, используя имеющиеся в системе программирования процедуры/функции выделения/освобождения памяти. В объектно-ориентированных языках программирования при разработке нового объекта для него должны быть определены процедуры создания и уничтожения.
Главное заключается в том, что независимо от используемого языка программирования, имеющиеся в программе структуры данных не появляются "из ничего", а явно или неявно объявляются операторами создания структур. В результате этого всем экземплярам структур в программе выделяется память для их размещения.
Операция уничтожения структур данных противоположна по своему действию операции создания. Некоторые языки, такие как BASIC, FORTRAN не дают возможности программисту уничтожать созданные структуры данных. В языках PL/1, C, PASCAL структуры данных, имеющиеся внутри блока, уничтожаются в процессе выполнения программы при выходе из этого блока. Операция уничтожения помогает эффективно использовать память.
Операция выбора используется программистами для доступа к данным внутри самой структуры. Форма операции доступа зависит от типа структуры данных, к которой осуществляется обращение. Метод доступа - один из наиболее важных свойств структур, особенно в связи с тем, что это свойство имеет непосредственное отношение к выбору конкретной структуры данных.
Операция обновления позволяет изменить значения данных в структуре данных. Примером операции обновления является операция присваивания, или, более сложная форма - передача параметров.
Вышеуказанные четыре операции обязательны для всех структур и типов данных. Помимо этих общих операций для каждой структуры данных могут быть определены операции специфические, работающие только с данными данного типа (данной структуры). Специфические операции рассматриваются при рассмотрении каждой конкретной структуры данных.
4. Структурность данных и технология
программирования
Большинство авторов публикаций, посвященных структурам и организации данных, делают основной акцент на том, что знание структуры данных позволяет организовать их хранение и обработку максимально эффективным образом - с точки зрения минимизации затрат как памяти, так и процессорного времени. Другим не менее, а может быть, и более важным преимуществом, которое обеспечивается структурным подходом к данным, является возможность структурирования сложного программного изделия. Современные промышленно выпускаемые программные пакеты - изделия чрезвычайно сложные, объем которых исчисляется тысячами и миллионами строк кода, а трудоемкость разработки - сотнями человеко-лет. Естественно, что разработать такое программное изделие "все сразу" невозможно, оно должно быть представлено в виде какой-то структуры - составных частей и связей между ними. Правильное структурирование изделия дает возможность на каждом этапе разработки сосредоточить внимание разработчика на одной обозримой части изделия или поручить реализацию разных его частей разным исполнителям.
При структурировании больших программных изделий возможно применение подхода, основанного на структуризации алгоритмов и известного, как "нисходящее" проектирование или "программирование сверху вниз", или подхода, основанного на структуризации данных и известного, как "восходящее" проектирование или "программирование снизу вверх".
В первом случае структурируют прежде всего действия, которые должна выполнять программа. Большую и сложную задачу, стоящую перед проектируемым программным изделием, представляют в виде нескольких подзадач меньшего объема. Таким образом, модуль самого верхнего уровня, отвечающий за решение всей задачи в целом, получается достаточно простым и обеспечивает только последовательность обращений к модулям, реализующим подзадачи. На первом этапе проектирования модули подзадач выполняются в виде "заглушек". Затем каждая подзадача в свою очередь подвергается декомпозиции по тем же правилам. Процесс дробления на подзадачи продолжается до тех пор, пока на очередном уровне декомпозиции получают подзадачу, реализация которой будет вполне обозримой. В предельном случае декомпозиция может быть доведена до того, что подзадачи самого нижнего уровня могут быть решены элементарными инструментальными средствами (например, одним оператором выбранного языка программирования).
Другой подход к структуризации основывается на данных. Программисту, который хочет, чтобы его программа имела реальное применение в некоторой прикладной области не следует забывать о том, что программирование - это обработка данных. В программах можно изобретать сколь угодно замысловатые и изощренные алгоритмы, но у реального программного изделия всегда есть Заказчик. У Заказчика есть входные данные, и он хочет, чтобы по ним были получены выходные данные, а какими средствами это обеспечивается - его не интересует. Таким образом, задачей любого программного изделия является преобразование входных данных в выходные. Инструментальные средства программирования предоставляют набор базовых (простых, примитивных) типов данных и операции над ними. Интегрируя базовые типы, программист создает более сложные типы данных и определяет новые операции над сложными типами. Можно здесь провести аналогию со строительными работами: базовые типы - "кирпичики", из которых создаются сложные типы - "строительные блоки". Полученные на первом шаге композиции "строительные блоки" используются в качестве базового набора для следующего шага, результатом которого будут еще более сложные конструкции данных и еще более мощные операции над ними и т.д. В идеале последний шаг композиции дает типы данных, соответствующие входным и выходным данным задачи, а операции над этими типами реализуют в полном объеме задачу проекта.
Программисты, поверхностно понимающие структурное программирование, часто противопоставляют нисходящее проектирование восходящему, придерживаясь одного выбранного ими подхода. Реализация любого реального проекта всегда ведется встречными путями, причем, с постоянной коррекцией структур алгоритмов по результатам разработки структур данных и наоборот.
Еще одним чрезвычайно продуктивным технологическим приемом, связанным со структуризацией данных является инкапсуляция. Смысл ее состоит в том, что сконструированный новый тип данных - "строительный блок" - оформляется таким образом, что его внутренняя структура становится недоступной для программиста - пользователя этого типа. Программист, использующий этот тип данных в своей программе (в модуле более высокого уровня), может оперировать с данными этого типа только через вызовы процедур, определенных для этого типа. Новый тип данных представляется для него в виде "черного ящика" для которого известны входы и выходы, но содержимое - неизвестно и недоступно.
Инкапсуляция чрезвычайно полезна и как средство преодоления сложности, и как средство защиты от ошибок. Первая цель достигается за счет того, что сложность внутренней структуры нового типа данных и алгоритмов выполнения операций над ним исключается из поля зрения программиста-пользователя. Вторая цель достигается тем, что возможности доступа пользователя ограничиваются лишь заведомо корректными входными точками, следовательно, снижается и вероятность ошибок.
Современные языки программирования блочного типа (PASCAL, C) обладают достаточно развитыми возможностями построения программ с модульной структурой и управления доступом модулей к данным и процедурам. Расширения же языков дополнительными возможностями конструирования типов и их инкапсуляции делает язык объектно-ориентированным. Сконструированные и полностью закрытые типы данных представляют собой объекты, а процедуры, работающие с их внутренней структурой - методы работы с объектами. При этом в значительной степени меняется и сама концепция программирования. Программист, оперирующий объектами, указывает в программе ЧТО нужно сделать с объектом, а не КАК это надо делать.
Технология баз данных развивалась параллельно с технологией языков программирования и не всегда согласованно с ней. Отчасти этим, а отчасти и объективными различиями в природе задач, решаемых системами управления базами данных (СУБД) и системами программирования, вызваны некоторые терминологические и понятийные различия в подходе к данным в этих двух сферах. Ключевым понятием в СУБД является понятие модели данных, в основном тождественное понятию логической структуры данных. Отметим, что физическая структура данных в СУБД не рассматривается вообще. Но сами СУБД являются программными пакетами, выполняющими отображение физической структуры в логическую (в модель данных). Для реализации этих пакетов используются те или иные системы программирования, разработчики СУБД, следовательно, имеют дело со структурами данных в терминах систем программирования. Для пользователя же внутренняя структура СУБД и физическая структура данных совершенно прозрачна; он имеет дело только с моделью данных и с другими понятиями логического уровня.
5. Анализ сложности и эффективности
алгоритмов и структур данных
В процессе решения прикладных задач выбор подходящего алгоритма вызывает определенные трудности. Алгоритм должен удовлетворять следующим противоречащим друг другу требованиям:
1) быть простым для понимания, перевода в программный код и отладки;
2) эффективно использовать вычислительные ресурсы и выполняться по возможности быстро.
Если разрабатываемая программа, реализующая некоторый алгоритм, должна выполняться только несколько раз, то первое требование наиболее важно. В этом случае стоимость программы оптимизируется по стоимости написания (а не выполнения) программы. Если решение задачи требует значительных вычислительных затрат, то стоимость выполнения программы может превысить стоимость написания программы, особенно если программа выполняется многократно. Поэтому более предпочтительным может стать сложный комплексный алгоритм (в надежде, что результирующая программа будет выполняться существенно быстрее). Таким образом, прежде чем принимать решение об использовании того или иного алгоритма, необходимо оценить сложность и эффективность этого алгоритма.
Сложность алгоритма – это величина, отражающая порядок величины требуемого ресурса (времени или дополнительной памяти) в зависимости от размерности задачи.
Таким образом, будем различать временную T(n) и пространственную V(n) сложности алгоритма. При рассмотрении оценок сложности будем использовать только временную сложность. Пространственная сложность оценивается аналогично.
Самый простой способ оценки – экспериментальный, т. е. запрограммировать алгоритм и выполнить полученную программу на нескольких задачах, оценивая время выполнения программы. Однако этот способ имеет ряд недостатков. Во-первых, экспериментальное программирование –это, возможно, дорогостоящий процесс. Во-вторых, необходимо учитывать, что на время выполнения программ влияют следующие факторы:
1) временная сложность алгоритма программы;
2) качество скомпилированного кода исполняемой программы;
3) машинные инструкции, используемые для выполнения программы.
Наличие второго и третьего факторов не позволяют применять типовые единицы измерения временной сложности алгоритма (секунды, миллисекунды и т.п.), так как можно получить самые различные оценки для одного и того же алгоритма, если использовать разных программистов (которые программируют алгоритм каждый по-своему), разные компиляторы и разные вычислительные машины.
6. Статистические структуры данных
Рассмотрим статические структуры данных: массивы, записи, множества. Цель описания типа данных и определения некоторых переменных, относящихся к статическим типам, состоит в том, чтобы зафиксировать диапазон значений, присваиваемых этим переменным, и соответственно размер выделяемой для них памяти. Поэтому такие переменные и называются статическими.
6.1
Массив
Массив – это поименованная совокупность однотипных элементов, упорядоченных по индексам, определяющих положение элемента в массиве.
Следующее объявление задает имя для массива, тип для индекса и тип элементов массива:
имя: array[ТипИндекса] of ТипЭлемента;
Тип индекса, в общем случае, может быть любым порядковым, но некоторые языки программирования поддерживают в качестве индексов массивов только последовательности целых чисел.
Количество используемых индексов определяет размерность массива. Массив может быть одномерным (вектор), двумерным (матрица), трехмерным (куб) и т. д.:
var
Vector: array [1..100] of integer;
Matrix: array [1..100, 1..100] of integer;
Cube:
array [1..100, 1..100, 1..100] of integer;
В Паскале определены такие операции над массивами в целом, как сравнение на равенство и неравенство массивов, а также операция присвоения для массивов с одинаковым типом индексов и одинаковым типом элементов. Доступ к массивам в этих операциях осуществляется через имя массива без указания индексов. В некоторых языках программирования определен более мощный перечень операции, где в качестве операндов выступают целые массивы, это так называемые векторные вычисления.
Можно также выполнять операции над отдельными элементами массива. Перечень таких операций определяется типом элементов. Доступ к отдельным элементам массива осуществляется через имя массива и индекс (индексы) элемента:
Cube[0,0,10] := 25;
Matrix[10,30] := Cube[0,0,10] + 1;
В памяти ЭВМ элементы массива обычно располагаются непрерывно, в соседних ячейках. Размер памяти, занимаемой массивом, есть суммарный размер элементов массива.
6.2 Строка
Строка – это последовательность символов (элементов символьного типа).
В Паскале количество символов в строке (длина строки) может динамически меняться от 0 до 255.
Рассмотрим пример описания строк:
var
TTxt: string;
TWrd: string[10];
Здесь описаны строка TTxt, максимальная длина которой 255 символов (по умолчанию) и строка TWrd, максимальная длина которой ограничена 10 символами. Каждый символ строки имеет свой индекс, принимающий значение от 1 до заданной длины строки. Следует обратить внимание, что существует элемент строки с индексом 0, который не доступен с использованием индекса, и содержит текущее количество символов в строке. Доступ к этому специфическому элементу можно получить только с помощью специальных функций языка.
Благодаря индексам, строки очень похожи на одномерные массивы символов, и доступ к отдельным элементам строки можно получать с использованием этих индексов, выполняя операции, определенные для символьного типа данных. Так же как и для массивов, определена операция присвоения строк в целом.
Однако есть ряд отличий. Операций сравнения строк больше, чем аналогичных операций для массивов: <, >, ≥, ≤, =, <>. Существует операция сцепления (конкатенации) строк «+».
В памяти ЭВМ символы строки располагаются непрерывно, в соседних ячейках. Размер памяти, занимаемой строкой, есть суммарный размер элементов массива (включая элемент, содержащий длину строки).
6.3 Запись
Запись – это агрегат, составляющие которого (поля) имеют имя и могут быть различного типа.
Рассмотрим пример простейшей записи:
type
TPerson = record
Name:
string;
Address: string;
Index:
longint;
end;
var
Person1: TPerson;
Запись описанного типа объединяет три поля. Первые два из них символьного типа, а третье – целочисленного.
В Паскале определена операция присваивания для записей в целом (записи должны быть одного типа). Доступ к записи осуществляется через ее имя.
Можно также выполнять операции над отдельным полем записи. Перечень таких операций определяется типом поля. Доступ к полям отдельной записи осуществляется через имя записи и имя поля:
Person1.Index := 190000;
Person1.Name := ‘Иванов’;
Person1.Adress := ‘Санкт-Петербург, ул. Б.Морская, д.67’;
В памяти ЭВМ поля записи обычно располагаются непрерывно, в соседних ячейках. Размер памяти, занимаемой записью, есть суммарный размер полей, составляющих запись.
6.4 Множество
Наряду с массивами и записями существует еще один структурированный тип – множество. Этот тип используется не так часто, хотя его применение в некоторых случаях является вполне оправданным.
Множество – совокупность каких-либо однородных элементов, объединенных общим признаком и представляемых как единое целое.
Тип множество соответствует математическому понятию множества в смысле операций, которые допускаются над структурами такого типа.
Количество элементов множества может меняться от 0 до 256. Множество, не содержащее элементов называется пустым.
Два множества считаются эквивалентными тогда и только тогда, когда все их элементы равны, при этом порядок их следования не имеет значения.
Если все элементы одного множества входят в другой, то говорят, что первое множество включается во второе. (соответственно пустое множество включается в любое). Описание множества имеет вид:
set of БАЗОВЫЙ_ТИП
Например:
Days : set of 1..31;
Digit : set of '0'..'9';
Leters : set of Char;
Для задания множества надо использовать специальный конструктор: значения множества перечисляются через запятую (или диапозон через две точки), в квадратных скобках. Например:
Days := [8, 9, 13, 20 .. 25];
Digit := ['1', '3', '2',
'9', '0'];
Leters := [ ]; - пустое множество
В отличие от массивов и записей здесь отсутствует возможность обращения к отдельным элементам.
Рассмотрим пример, что бы понять, что такое эквивалентность и включение:
type
num = set of 0 ..9;
digit = set of '0' .. '9';
var
s1, s2, s3 : digit;
s4, s5, s6 : num;
begin
s1 := ['1', '2', '3'];
s2 := ['2', '1', '3'];
s3 := ['1', '3'];
s4 := [0..3];
s5 := [4 .. 6];
s6 := [3, 5 .. 9];
Множества s1 и s2 эквивалентны. Множество s3 включается в s2 и в s1 соответственно. Над множествами определены следующие операции:
*
пересечение множеств - результат содержит общие для обеих множеств элементы. s4 * s6 cодержит [3], а s4 *s5 пустое множество
+
объединение множест - результат содержит элементы первого множества, дополненные недостоющими элементами второго множества. s4 + s5 содержит [0,1,2,3,4,5, 6]
-
разность множеств - результат содержит элементы из первого множества, которые не принадлежат второму. например s6 - s5 содержит [3,7,8,9]
=
эквивалентность - результат true, если множества эквивалентны и false в другом случае
<>
не эквивалентность - true если множества не эквивалентны
>=, <=
вхождение (проверка на подмножество)
<= - true если первое множество включено во второе
>= - true, если второе множество включено в первое
in
проверка на принадлежность. Синтаксис: ЗНАЧЕНИЕ in МНОЖЕСТВО
возвращает true, если ЗНАЧЕНИЕ
принадлежит множеству, например
Так же для множеств определены 2 процедуры:
procedure Include(var S:
set of T;I:T);
Включает новый элемент I в множество S
procedure Exclude(var S:
set of T;I:T);
Исключает элемент I из множества S
Несмотря на возможность использовать для этих операций +/- использование процедур более предпочтительней, т.к. они отличаются более высокой скоростью выполнения.
В Паскале в качестве типов элементов множества могут использоваться типы, максимальное количество значений которых не превышает 256. В памяти ЭВМ элементы множества обычно располагаются непрерывно, в соседних ячейках.
6.5 Таблица
Таблица представляет собой одномерный массив (вектор), элементами которого являются записи. Отдельная запись массива называется строкой таблицы. Чаще всего
используется простая запись, т. е. поля – элементарные данные. Совокупность одноименных полей всех строк называется столбцом, а конкретное поле отдельной строки – ячейкой:
type
TPerson = record
Name:
string;
Address: string;
Index:
longint;
end;
TTable = array[1..1000] of TPerson;
var
PersonList: TTable;
Характерной особенностью таблиц является то, что доступ к элементам таблицы производится не по индексу, а по ключу, т. е. по значению одного из полей записи.
Ключ таблицы (основной, первичный) – поле, значение которого может быть использовано для однозначной идентификации каждой записи таблицы. Ключ таблицы может быть составным – образовываться не одним, а несколькими полями данной таблицы.
Вторичный ключ – поле таблицы с несколькими ключами, не обеспечивающий (в отличие от первичного ключа) однозначной идентификации записей таблицы. В этот ключ могут входить все поля таблицы за исключением полей, составляющих первичный ключ.
Если последовательность записей упорядочена относительно какого-либо столбца (поля), то такая таблица называется упорядоченной, иначе – таблица неупорядоченная.
Основной операцией при работе с таблицами является операция доступа к записи по ключу. Она реализуется процедурой поиска. Получив доступ к конкретной записи (строке таблицы), с ней можно работать как с записью в целом, так и с отдельными полями (ячейками). Перечень операций над отдельной ячейкой определяется типом ячейки:
PersonList[1].Index := 190000;
PersonList[1].Name := ‘Иванов’;
PersonList[1].Adress := ‘Санкт-Петербург, ул. Б.Морская, д.67’;
В памяти ЭВМ ячейки таблицы обычно располагаются построчно, непрерывно, в соседних ячейках. Размер памяти, занимаемой таблицей, есть суммарный размер ячеек.
Контрольные
вопросы.
1.
Понятие структуры
данных
2.
Применение структуры
данных
3.
Классификация
структуры данных
4.
Признаки структуры
данных
5.
Какие операции
выполняют над структурами данных
6.
Использование операции
создания
7.
Использование операции
удаления
8.
Использование операции
выбора
9.
Использование операции
обновления
10.
Технология
программирования
11.
Анализ сложности алгоритмов
12.
Анализ эффективности
алгоритмов
13.
Что относится к
статистическим структурам данных
14.
Раскройте понятие
массива, строки, записи, множества.