Типы и структуры данных

Типы и структуры данных представляют собой фундамент, на котором строится вся современная технология программирования. Программирования в широком смысле, включая не только непосредственно написание и отладку программ, но и проектирование программных систем разной сложности; проектирование, реализацию и использование баз данных и информационных систем и т. д. Сегодня только большие любители обходятся без использования безтиповых языков программирования (например, языков ассемблера) или неструктурированных и/или нетипизированных хранилищ данных во внешней памяти. В этой части книги, не прибегая к излишним формализмам и теоретическим изыскам, мы приводим систематическое обсуждение основных типов и структур данных, применяемых в современных языках программирования, а также соответствующих концепций, используемых в распространенных реляционных и перспективных объектно-реляционных системах.

Понятие типа данных

Существует много подходов к определению понятия типа данных от полностью математических, основанных на аппаратах абстрактной алгебры или математической логики, до полностью житейских, ориентированных исключительно на интуицию. Автору книги ближе всего подход, применяемый классиком компьютерной литературы и создателем ряда исключительно стройных и красивых языков программирования Никласом Виртом.

Основным принципом типизации, принятым в языках программирования и базах данных является то, что любая константа, переменная, выражение и функция относится к некоторому типу, характеризующему прежде всего множество значений, к которым относятся константы, которые могут принимать переменные и выражения и которые могут формировать функции. При описании любых используемых констант, переменных и функций явно или неявно указывается их тип. В первую очередь это дает возможность компилятору и/или системе управления базами данных выделить для хранения объекта данных ровно тот объем памяти, который определяется допустимым диапазоном значений типа. Однако концепция типа этим не исчерпывается.

Следующим исключительно важным свойством типа данных является инкапсуляция внутреннего представления его значений. К значению типа данных (значения констант, переменных, выражений и функций) можно обращаться только с помощью операций, предопределенных в описании этого типа. Эти операции могут быть явными (например, арифметические операции «+», «-», «?» и «/» для числовых типов) или неявными (например, операция преобразования значения целого типа к значению плавающего типа; заметим, что в некоторых языках, в частности, в Си и Си++, допускаются и явные преобразования типов).

Наличие типовых описаний констант, переменных и функций и предписанные правила определения типов выражений вместе с поддержкой свойства инкапсуляции типов дают возможность компиляторам языков программирования и языков баз данных производить существенный контроль допустимости языковых конструкций на этапе компиляции, что позволяет сократить число проверок на стадии выполнения программ и облегчить их отладку.

Один из характерных примеров преимущества использования типизированных языков программирования представляет история операционной системы UNIX. Как известно, система первоначально была написана на языке ассемблера PDP-7. При переходе к использованию PDP-11 ОС UNIX была переписана на языке более высокого уровня B, который являлся прямым наследником безтипового языка программирования BCPL. В очень скором времени по мере роста размеров системы ее разработчикам стало понятно, что бесчисленные проверки времени выполнения очень усложняют отладку и замедляют работу системы. Это явилось исходным толчком к внедрению в язык B системы типов и созданию типизированного языка Си, опора на который обеспечила более чем 25-летнюю плодотворную жизнь системы.

Можно приводить различные классификации типов данных, например, простые и составные типы, предопределенные и определяемые типы и т. д. Существенно то, что несмотря на многолетнее использование типов данных в отечественном программировании, так и не сложилась устойчивая и общепринятая русскоязычная терминология. Поэтому в этой книге будем использовать некоторый набор терминов, выбранных из соображений максимальной распространенности и интуитивной ясности.

Выделим следующие категории типов:

Встроенные типы данных, т. е. типы, предопределенные в языке программирования или языке баз данных. Обычно в языке фиксируются внешнее представление значений этих типов (вид литеральных констант) и набор операций с описанием их семантики. Внутреннее представление и реализация операций выбираются в конкретных компиляторах и подсистемах поддержки выполнения программ.

Под термином «уточняемый тип данных» мы понимаем возможность определения типа на основе встроенного типа данных, значения которого упорядочены. В частности, к категории уточняемых типов относится тип поддиапазона целых чисел в языках линии Паскаль.

Категорию перечисляемых типов данных составляют явно определяемые целые типы с конечным числом именованных значений. Это очень простой и легко реализуемый механизм, часто являющийся очень полезным.

Замечание: использование уточняемых и перечисляемых типов порождает потребность в динамической проверке корректности значений — выхода значения за пределы явно (в случае уточняемых типов) или неявно (в случае перечисляемых типов) диапазона.

Конструируемые типы (иногда их называют составными) обладают той особенностью, что в языке предопределены средства спецификации таких типов и некоторый набор операций, дающих возможность доступа к компонентам составных значений. Мы обсудим наиболее распространенные разновидности конструируемых типов: типы массивов, записей и множеств, а также различия в понимании этих типов в разных языках.

Замечание: будучи согласны с переводчиком книги Никласа Вирта Д. Б. Подшиваловым в том, что русские термины «тип массива», «тип записи», «тип множества» и т. д. не совсем соответствуют английским оригиналам «array type», «record type», «set type» и т. д. мы все же не будем использовать рекомендуемые им термины «записной тип», «массивный тип» и «множественный тип», поскольку (a) они тоже не вполне соответствуют оригинальным терминам и (b) ужасно выглядят и произносятся.

Указательные типы дают возможность работы с типизированными множествами абстрактных адресов переменных, содержащих значения некоторого типа. В сильно типизированных языках (Паскаль, Модула, Ада и т. д.) работа с указателями сильно ограничена. В частности, невозможно получить значение указателя явно определенной переменной и/или применять к известным значениям указателей адресную арифметику. В языках с более слабой типизацией (например, Си/Си++) допускаются практически неограниченные манипуляции указателями.

Вообще говоря, упоминавшиеся выше уточняемые, перечисляемые и конструируемые типы данных являются типами, определяемыми пользователями. Но эти определения не могут включать спецификацию операций над значениями типов. Допустимые операции либо предопределены, либо наследуются от некоторого определенного ранее или встроенного типа. Под термином «определяемый пользователем тип данных» (ранее был больше распространен термин «абстрактный тип данных», однако мы не будем здесь его использовать, поскольку, на наш взгляд, он не точно отражает смысл понятия) мы будем понимать возможность полного определения нового типа, включая явную или неявную спецификацию множества значений, спецификацию внутреннего представления значений типа и спецификацию набора операций над значениями определяемого типа.

Наконец, под термином «полнотиповая система» мы понимаем систему типов, в которых типы, определяемые пользователем, равноправны с предопределенными типами, т. е. можно, например, определить тип массива с элементами любого определенного типа, можно использовать определяемый пользователем тип на основе любого определенного типа и т. д.