815338A Ohjelmointikielten periaatteet

Transkriptio

1 815338A Ohjelmointikielten periaatteet IV.1 Imperatiivinen ohjelmointi muuttujat ja tietotyypit

2 Sisältö 1. Yleistä muuttujista 2. Sidonta 3. Tyypin tarkistus 4. Näkyvyysalue 5. Yleistä tietotyypeistä 6. Primitiiviset tietotyypit 7. Rakenteelliset tietotyypit 8. Osoitintyyppi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 2

3 IV.1.1 Yleistä muuttujista Imperatiivisen ohjelmoinnin keskeisimpiä käsitteitä Muuttuja mallintaa tietokoneen muistipaikkaa Muuttujaan liittyy 1. Nimi (name) Tapa yksilöidä muuttuja 2. Osoite (address) Muistiosoite, jossa muuttujan arvo sijaitsee 3. Arvo (value) Data joka kulloinkin on muuttujan osoitteen osoittamassa muistipaikassa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 3

4 IV.1.1 Yleistä muuttujista (2) Muuttujan ominaisuuksia 1. Tyyppi (type) Muuttujan tietorakenteen nimi 2. Näkyvyysalue (scope) Se ohjelman osa, jossa muuttuja on käytettävissä 3. Elinaika (lifetime, extent) Muuttujan muistinvaraamisen ja muistinvapauttamisen välinen aika A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 4

5 IV Muuttujan nimi Merkkijono, jota käytetään tunnistamaan muuttuja FORTRAN77: max. kuuden merkin mittaiset nimet FORTRAN 90 käyttää 31 merkin rajoitusta C-kieli: Nimen erottelupituutena vähintään 31 ensimmäistä merkkiä Nykyään useimmissa kielissä (C++, Java) mielivaltaisen pitkät nimet Useimmiten nimen alettava kirjaimella (tai alaviivalla) Isojen/pienien kirjainten erottelu Pascal, FORTRAN ei eroa Useimmiten erotetaan (C, Java jne) A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 5

6 IV Erikoissanat Erottavat kielen kontrollirakenteita kuvaavat sanat muuttujista Varatut sanat (reserved words) Ei voi käyttää muuten kuin sille varattuun tarkoitukseen Avainsanat (keywords) Avainsana on erikoismerkityksessä ainoastaan tietyissä yhteyksissä Nykykielissä yleensä ainoastaan varattuja sanoja FORTRAN käyttää avainsanoja A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 6

7 IV Muuttujan osoite Muuttujaan liittyvän fyysisen muistiosoitteen arvo Yleensä ilmaistaan heksalukuna Ei yleensä staattinen, muuttujan osoite saattaa vaihdella ohjelman suorituksen aikana Usein käytetään nimitystä l-value (left value) Osoite tiedettävä, kun muuttuja sijaitsee sijoituslauseen vasemmalla puolella Moninimisyys, aliasing Kaksi erinimistä muuttujaa viittaa samaan muistipaikkaan Yleensä muodostaminen ei suotavaa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 7

8 IV Muuttujan tyyppi Määrittelee 1. Muuttujan arvoalueen 2. Minkälaisia operaatioita tyypin muuttujalle voidaan tehdä Esimerkki: Java-kielessä Suurin kokonaisluku: Integer.MAX_VALUE pienin: Integer.MIN_VALUE Muuttujiin voidaan soveltaa perusaritmetiikan operaatioita A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 8

9 IV Muuttujan arvo Muuttujan muistiosoitteen kulloinenkin sisältö Tässä muistiosoite = sellainen muistialue, johon koko muuttujan data mahtuu Esimerkki: Javan double-tyyppinen muuttuja kahdeksan tavun kokoinen -> muuttujan osoite kahdeksan tavun kokoinen muistialue, jossa säilytetään muuttujan arvoa. Usein nimitetään r-valueksi (right value) Tarvitaan sijoituslauseen oikealla puolella. Huom! Jotta päästäisiin käsiksi r-valueen, on l-value aina määritettävä ensin A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 9

10 IV.1.2. Sidonta Yksi keskeisimmistä muuttujiin liittyvistä käsitteistä Jonkin ominaisuuden liittämistä ohjelman itsenäiseen kokonaisuuteen Muuttujan tapauksessa tyypinsidonta tai muistinsidonta Tyypinsidonta liittää muuttujaan jonkin tietotyypin Muistinsidonta liittää muuttujaan muistiosoitteen (varaa riittävästi muistia, jotta muuttujan arvo voidaan tallentaa) A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 10

11 IV.1.2. Sidonta (2) Sidonta-aika (binding time) = milloin tietty sidonta tehdään Varhainen sidonta lisää tehokkuutta Myöhäinen sidonta lisää joustavuutta Staattinen sidonta (static binding) ennen ohjelman ajoa ei muutu ajon aikana Dynaaminen sidonta (dynamic binding) = ajonaikainen sidonta A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 11

12 IV Tyypinsidonta Muuttujaan on liitettävä tietotyyppi ennen kuin sitä voi ohjelmassa käyttää Voidaan tehdä: 1. Staattisesti i. eksplisiittisellä tai ii. implisiittisellä esittelyllä 2. Dynaamisesti A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 12

13 IV Tyypin staattinen sidonta Eksplisiittinen esittely: ohjelmalauseessa määritellään muuttuja tietyn tyyppiseksi, esimerkiksi C:ssä float f1; Useimmissa staattista tyypinsidontaa käyttävissä kielissä pakollinen Implisiittinen esittely liittää muuttujaan tietotyypin jonkin sopimuksen mukaan ilman erillistä esittelyä Esim. FORTRANissa muuttuja INTEGER-tyyppinen jos nimi alkaa I, J, K, L, M tai N-kirjaimella; muuten REAL -tyyppinen Haitta: Esittelyn poisjäänti vahingossa voi johtaa hankalasti löydettäviin virhetoimintoihin A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 13

14 IV Tyypin dynaaminen sidonta Tyyppi määrittyy ohjelman suorituksen aikana sijoituslausetta suoritettaessa Dynaamista tyypinsidontaa käyttävät kielet eroavat voimakkaasti staattiseen tyypinsidontaan perustuvista Joustavia ja geneerinen ohjelmointi yksinkertaista Esim luvun APL ja SNOBOL Esimerkki. JavaScript: xz = [1.5, 2.2, 3.7] // Nyt xz taulukko xz = 234 // Nyt xz kokonaisluku Haittoja tehokkuuden menetys ja koodin luotettavuuden heikkeneminen A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 14

15 IV Muistin sidonta Muuttujan tietotyyppi on määrätty -> voidaan varata muistista alue (osoite) muuttujan arvon tallentamiseen Muistin varaaminen = allokointi (allocation) Allokoinnin käänteisprosessi on varatun muistin vapauttaminen = deallokointi (deallocation) Ohjelman muistialue: Staattinen eli globaali alue Pinomuisti Varaamatonta muistia Kekomuisti Yleensä pinomuisti ja kekomuisti kasvavat toisiaan kohti A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 15

16 IV Muuttujan elinikä Muuttujan käyttämän muistin varaamisen ja vapauttamisen välinen aika Muuttujat eliniän perusteella: 1. Staattiset, 2. Pinodynaamiset, 3. Kekodynaamiset (explicit heap dynamic) ja 4. Implisiittisesti kekodynaamiset (implicit heap dynamic) A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 16

17 IV Staattiset muuttujat Sidotaan muistiosoitteeseen ennen ohjelman suoritusta, säilyvät sidottuna samaan osoitteeseen ohjelman päättymiseen saakka Käyttö tuo tehokkuutta Aiheuttaa joustamattomuutta Rekursiivisten aliohjelmien toteuttaminen mahdotonta FORTRANin varhaisemmissa versioissa kaikki muuttujat staattisia C:ssä static-määreellä muuttuja staattiseksi Pascal-kielessä ei staattisia muuttujia A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 17

18 IV Pinodynaamiset muuttujat Tyyppi staattisesti sidottu, mutta muistiosoite sidotaan ajonaikaisesti esittelylausetta suoritettaessa Perua Algol 60-kielestä: paikallisten muuttujien muisti varattu pinomuistista dynaamisesti Näin toimivat yleisimmät imperatiiviset nykykielet Mahdollistavat rekursion Aliohjelman muuttujalle varataan jokaisella kutsulla kohti uusi muistiosoite Säästää muistia - yhteinen muistialue kaikkien aliohjelmien paikallisille muuttujille Dynaaminen muistinvaraus hidastaa vähän suoritusta A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 18

19 IV (Eksplisiittisesti) Kekodynaamiset muuttujat Yleisimmin kekomuistista varattavat muuttujat Varataan kekomuistista ohjelmoijan käskystä ajonaikaisesti Voidaan viitata ainoastaan osoitinmuuttujan tai viitetyypin muuttujan avulla Voidaan varata 1. Operaattorilla (Java ja C++: new) tai 2. Kirjastofunktiolla (C: malloc()) A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 19

20 IV (Eksplisiittisesti) Kekodynaamiset muuttujat (2) Muistin vapauttaminen Jotkin kielet: Automaattinen roskien keruu (garbage collection) (esim. Java) Joissakin kielissä ohjelmoijan vastuulla: C++: operaattori delete C: funktio free() A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 20

21 IV (Eksplisiittisesti) Kekodynaamiset muuttujat (3) *x++=*y++ Esimerkki. Kekodynaamisen muuttujan varaaminen (ja vapauttaminen) C ja C++ -kielissä. C: C++: int *pnewint; pnewint = malloc(sizeof(int)); *pnewint = 10; free(pnewint); int *pnewint; pnewint = new int; *pnewint = 10; delete pnewint; A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 21

22 IV Implisiittisesti kekodynaamiset muuttujat *x++=*y++ Sidotaan kekomuistiin vasta sijoituslauseen yhteydessä Käyttö sallii hyvin joustavan ohjelmoinnin ja erittäin geneerisen koodin kirjoittamisen Monissa skriptikielissä (Perl, JavaScript) merkkijonomuuttujat ja taulukot A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 22

23 IV.1.3. Tyypin tarkistus (type checking) Varmistetaan että ohjelman operaatioissa käytettävien muuttujien tyypit ovat yhteensopivat Dynaaminen tarkistus: tyypit tarkistetaan ajonaikaisesti Staattinen tarkistus: viimeistään käännösaikana A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 23

24 IV Tyyppiyhteensopivuus (type compatibility) 1. Nimityypin yhteensopivuus (name type compatibility) Muuttujat yhteensopivaa tyyppiä ainoastaan, jos ne on määritelty samannimisen tyyppisiksi 2. Rakennetyypin yhteensopivuus (structure type compatibility) Toteutuu, jos muuttujien rakenne on identtinen Yleensä tyypintarkistukseen käytetään jotain välimuotoa Nimityypin tarkistus liian rajoittava Rakennetyypin tarkistus liian hankala toteuttaa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 24

25 IV Tyyppiyhteensopivuus (2) Esimerkki. Pascal-kielisessä määrittelyssä TYPE MYINT = INTEGER; var a: INTEGER; var ma:myint; muuttujat a ja ma eivät nimityyppiyhteensopivat, mutta ovat rakennetyyppiyhteensopivat Pascal-kielessä ei käytetä nimityypin yhteensopivuutta, sijoitus ma := a; on laillinen A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 25

26 IV Tyyppiyhteensopivuus (2) Esimerkki. C: typedef struct { int x; int y; } mystruct; typedef struct { int xx; int yy; } myotherstruct; mystruct str1; myotherstruct str2; str1 = str2 ei sallittu: C-kielessä muuten rakenneyhteensopivuus paitsi tietueiden (struct) ja unionien (union) suhteen C++ ja Java käyttävät nimityyppiyhteensopivuutta C++: typedefillä samat tyypit A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 26

27 IV Vahvasti tyypitetty (strongly typed) kieli 1. Jokaisella muuttujalla oltava hyvin määritelty tyyppi 2. Tyyppivirheet havaitaan aina Pidetään tavoittelemisen arvoisena piirteenä Estää ohjelmointivirheet, jotka johtuvat 1. Vääräntyyppisen muuttujan sijoittamisesta tai 2. Käyttämisestä parametrina aliohjelmakutsussa Varsin harvat kielet täyttävät, jos sovelletaan tiukasti Muunnossäännöt (coercion) Vaikuttavat tyypintarkistukseen Vahvasti tyypitetyssäkin kielessä esim. aritmeettisille operaatioille sääntöjä, jotka rikkovat periaatteessa tyypitystä vastaan A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 27

28 IV Vahvasti tyypitetty (strongly typed) kieli (2) Pascal vaihtelevia tietueita lukuun ottamatta C:ssä tapauksia, joissa tyyppivirhe voi jäädä havaitsematta -> C ei niin vahvasti tyypitetty kuin Pascal C++: tyypintarkistus vahvempi kuin C:ssä, ei vahvasti tyypitetty Ada, Java ja C# (lähes) vahvasti tyypitettyjä Tyyppivirhe voi syntyä ohjelmoijan itse pakottamana Python vahvasti tyypitetty A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 28

29 IV.1.4. Näkyvyysalue (scope) Niiden ohjelman lauseiden kokonaisuus, joiden alueella muuttuja on näkyvä (visible), t.s. käytettävissä. Globaali (global) muuttuja: koko ohjelma Paikalliset eli lokaalit (local) muuttujat (ohjelmalohkon tai muun vastaavan yksikön) määritelty kyseisessä yksikössä Ei-paikalliset (nonlocal) muuttujat: Lohkon sisällä näkyvät lohkon ulkopuolella määritellyt muuttujat Voi määräytyä Staattisesti ennen ohjelman suoritusta tai Dynaamisesti ohjelman suorituksen aikana A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 29

30 IV Staattinen näkyvyysalueen määräytyminen *x++=*y++ Yleisin menetelmä imperatiivisissa kielissä Muuttujien näkyvyysalueet määräytyvät ennen ohjelman suoritusta ohjelman rakenteen perusteella Rakenteet voivat olla toisilleen alisteisia -> näkyvyysalueiden sisäkkäisyys Aliohjelmalla useimmiten oma näkyvyysalue Nykykielissä voidaan muodostaa uusia näkyvyysalueita määrittelemällä ohjelmalohkoja (blocks) C: aaltosulkujen välinen osa on lohko Kootun lauseen (compound statement) sisällä ei voida esitellä uusia muuttujia (kuten lohkossa) A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 30

31 IV Staattinen näkyvyysalueen määräytyminen *x++=*y++ Jos sisemmissä näkyvyysalueissa esitellään samannimisiä muuttujia kuin alueen sisältävässä lohkossa, on ulomman alueen muuttuja piilotettava sisemmässä lohkossa Pascalissa BEGIN END pari määrittelee kootun lauseen -> Pascalissa ei lohkoja, aliohjelmilla oma näkyvyysalue ja aliohjelmat voivat olla sisäkkäisiä A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 31

32 IV.4.2. Dynaaminen näkyvyysalueen määräytyminen *x++=*y++ Hyvin harvat ohjelmointikielet käyttävät Esim. APL, SNOBOL, Perlissä mahdollinen Perustuu aliohjelmien suoritusjärjestykseen -> aktiivisen aliohjelman muuttujat näkyvät kaikille aliohjelmille, joita kutsutaan kyseisen aliohjelman käynnistämisen jälkeen Ongelmia: Koodin luettavuus huononee Ohjelman luotettavuus heikkenee Etu: Aliohjelmien tiedonvälityksen helpottuminen Haitat suuremmat -> ei juuri käytetä A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 32

33 IV.1.5. Yleistä tietotyypeistä Tietotyyppi (data type): Joukko arvoja, joihin liittyy joukko näihin arvoihin sovellettavia operaatioita Keskeinen käsite ohjelmoinnissa, koska luokittelee ohjelman datan Primitiivinen tietotyyppi (primitive data type): määrittelemiseen ei käytetä muita tietotyyppejä Lähes jokaisessa kielessä määritellään joukko primitiivisiä tietotyyppejä valmiiksi Louden: yksinkertainen (simple) tietotyyppi: tietotyyppi, jolla ei ole muuta rakennetta kuin sisäänrakennettu aritmeettinen tai peräkkäinen rakenne A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 33

34 IV.1.6. Primitiiviset tietotyypit Jaetaan tyypillisesti numeeriseen, loogiseen ja merkkitietoon Useissa varhaisissa ohjelmointikielissä ainoat primitiiviset tietotyypit numeerisia Alkuperäisessä BASIC-kielessä ainoastaan liukulukutyyppi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 34

35 IV Numeeriset tyypit Kokonaislukutyyppi yleisin numeerinen primitiivinen tietotyyppi Pituus voi vaihdella; 32 bittiä nykyään yleisin Liukulukutyyppi (floating-point type) Esittää reaalilukuja (likimääräisesti) tietokoneessa Esitetään useimmiten IEEE:n standardilla 754 Diskreettien rakenteiden kurssissa esityksestä tarkemmin Desimaalityyppi Tietynmittaisille desimaaliluvuille tarkka esitys Rajoittaa esitettävien lukujen kokoa Käytössä C#-kielessä (decimal), pituus 128 bittiä A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 35

36 IV.6.2. Looginen tietotyyppi (boolean, logical type) Periaatteessa tietotyypeistä yksinkertaisin - tarvitsee vain arvot tosi ja epätosi Esitystapa vaihtelee C: mikä tahansa nollasta poikkeava lukuarvo tulkitaan todeksi ja nolla epätodeksi. Yleensä mahdollisuus saada arvot true ja false A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 36

37 IV Merkkityypit Merkkitieto esitetään tietokoneen sisäisesti numeerisina koodeina. Aiemmin yleisin koodauskäytäntö ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Nykyään UNICODE (2 tavua/merkki) yleistyy, esimerkiksi Java, C#: char kahden tavun kokoinen Merkkijonotyyppi (character string type) Useimmiten ei ole primitiivinen FORTRANissa (77 jälkeen) ja BASICissä primitiivisiä Monessa kielessä valmiiksi määriteltyjen perustietotyyppien joukossa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 37

38 IV Merkkityypit (2) C-kielen merkkijono Merkkiin \0 päättyvä yksiulotteinen merkkitaulukko Oliokielissä yleensä jonkin kirjastoluokan olioita A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 38

39 IV Ordinaalityyppi (ordinal type) Arvot voidaan yhdistää positiivisiin kokonaislukuihin luonnollisella tavalla Useissa kielissä käyttäjän määrittelemiä ordinaalityyppejä; eivät täytä primitiivisen tyypin määritelmää, ovat kuitenkin yksinkertaisia tietotyyppejä Luetellut tyypit (enumeration types) Rajoitetut tyypit (subrange type) Luetellun tyypin muuttujien arvot määritellään luettelemalla symbolisiksi vakioiksi Tyyppiin liittyy järjestys -> arvoja voidaan vertailla A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 39

40 IV Ordinaalityyppi (2) *x++=*y++ Esimerkki. Viikonpäivät lueteltuna tyyppinä Pascalilla: TYPE paiva = (su,ma,ti,ke,tor,pe,la); Sama C-kielellä: enum paiva {su, ma, ti, ke, tor, pe, la}; Vertailu Pascalissa: var ps,pt:paiva; begin ps:=su; pt:=tor; if pt > ps then begin (* lauseet *) end; end. Vertailu C kielessä: enum paiva x = su,y = tor; if(x < y) { // Lauseet } A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 40

41 IV Ordinaalityyppi (3) Luetellun tyypin etuja Määritellyt tyypit ovat helposti tulkittavissa Rajojen ylityksen virhemahdollisuudet poistuvat mikäli tarkistetaan lueteltujen tyyppien yhteensopivuus Ellei lueteltua tyyppiä, on käytettävä numeerisia muuttujia kuvaamaan lueteltuja tyyppejä -> Tähän verrattuna: 1. Koodin luettavuus paranee 2. Luotettavuus paranee A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 41

42 IV Ordinaalityyppi (4) Javassa versiosta 1.5 lähtien enum-tyyppi Esim. enum Paiva { } SUNNUNTAI, MAANANTAI, TIISTAI, KESKIVIIKKO, TORSTAI, PERJANTAI, LAUANTAI Vakiot olioita -> monipuolisempi kuin aiemmin mainitut C++11:ssa myös luokkatyyppinen enum enum class Paiva { }; SUNNUNTAI, MAANANTAI, TIISTAI, KESKIVIIKKO, TORSTAI, PERJANTAI, LAUANTAI A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 42

43 IV Rajoitettu tyyppi Jonkin ordinaalityypin peräkkäisten arvojen osajono Ensimmäiseksi Pascalissa Voidaan käyttää myös Adassa Pascalissa: TYPE allesata = ; pienetkirjaimet = a.. z ; Käyttäminen lisää luotettavuutta mikäli kääntäjä tarkistaa virheelliset operaatiot Ei käytetä muissa yleisissä kielissä Pascalin ja Adan lisäksi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 43

44 IV.1.7. Rakenteelliset tietotyypit *x++=*y++ Koostuvat yhdestä tai useammasta yksinkertaista tai rakenteista tyyppiä olevasta komponentista 1. Taulukot 2. Tietueet 3. Unionit 4. Joukkotyyppi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 44

45 IV Taulukot Yleisimmin käytettyjä tietorakenteita Kiinteä määrä samaa tyyppiä olevia tietoalkioita, jotka sijaitsevat peräkkäin yhtenäisessä muistialueessa -> Käyttö tehokasta, koska minkä tahansa alkion muistiosoite voidaan suoraan laskea Alkiot mitä tahansa tietotyyppiä, joko primitiivistä, kielessä määriteltyä tai ohjelmassa määriteltyä Alkioihin viitataan taulukon nimellä ja alkion indeksillä taulukossa C pohjaisissa kielissä indeksit alkavat nollasta A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 45

46 IV Taulukot (2) Esimerkki: Kokonaislukutaulukko eri kielissä C: int lukutaulu[50]; lukutaulu[10] = 34; Pascal: VAR lukutaulu: ARRAY [0..49] OF INTEGER; begin lukutaulu[10] := 34; FORTRAN: INTEGER LTAULU(0:49) LTAULU(10) = 34; A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 46

47 IV Taulukkojen tyypit Neljä tyyppiä indeksien rajojen sidonnan ja muistin allokoinnin tapahtuma-ajan perusteella 1. Staattiset taulukot (static arrays) Rajat sidotaan staattisesti, taulukon muisti varataan staattisesti Suoritusajan tehokkuus 2. Kiinteät pinodynaamiset taulukot (fixed stackdynamic arrays) Rajat sidotaan staattisesti, muisti varataan ajonaikaisesti pinomuistista Muistin käyttö tehokkaampaa kuin staattisilla taulukoilla A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 47

48 IV Taulukkojen tyypit (2) 3. Pinodynaamiset taulukot (stack-dynamic arrays) Rajat sidotaan dynaamisesti, muisti varataan pinomuistista. Molemmat pysyvät vakioina taulukon elinajan Taulukon kokoa ei tarvitse tietää etukäteen -> lisää joustavuutta 4. Kekodynaamiset taulukot (heap-dynamic array) Rajat sidotaan dynaamisesti, taulukon muisti varataan dynaamisesti kekomuistista Taulukon rajat ja varattu muisti voivat muuttua sen elinaikana -> joustavin tyyppi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 48

49 IV Taulukkotyypit eri kielissä Staattiset taulukot FORTRANin taulukot (versio 77 ja ennen) REAL REAALILUVUT(4) C/C++-kielessä taulukko voidaan esitellä staticmääreellä staattiseksi Kiinteät pinodynaamiset taulukot Yleisimmin pinosta varattavat taulukot, esim. C, C++ (aiemmat versiot), Pascal A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 49

50 IV Taulukkotyypit eri kielissä (2) Pinodynaamiset taulukot Aiemmin harvinaisia imperatiivisissa kielissä Adassa alusta saakka AR_LEN := 25; declare AR: array(1..ar_len) of INTEGER; C/C++-kielissä uusimmissa versioissa sallittu int i,koko = 15; for(i=5; i < 10; i++){ } int taulu[koko]; // Nykyään käy C/C++:ssa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 50

51 IV Taulukkotyypit eri kielissä (3) Kekodynaamiset taulukot Javan, C#:n kaikki taulukot int[] lukutaulu = new int[50]; C/C++ -kielissä varataan kuten muutkin dynaamiset muuttujat C:ssä malloc int *lukutaulu; lukutaulu = malloc(50*sizeof(int)); lukutaulu[10] = 34; free(lukutaulu); C++:ssa new int[] lukutaulu; lukutaulu = new int[50]; lukutaulu[10] = 34; delete[] lukutaulu; A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 51

52 IV Moniulotteiset taulukot Tarvitaan useampia indeksejä viittaamaan taulukon alkioihin Yleensä tarkoittaa sitä että taulukon ensimmäisen indeksin alkiot (n-1) ulotteisia taulukoita jne. Esimerkki: Pascalissa ARRAY[1..6,3..21,0..3] OF INTEGER on sama kuin ARRAY[1..6] OF ARRAY[3..21] OF ARRAY[0..3] OF INTEGER Yleensä dimensioille ei ylärajaa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 52

53 IV Taulukko-operaatiot Yleensä kielissä ei juuri operaatioita, jotka käsittelevät taulukkoa itsenäisenä yksikkönä Tavallisesti toteutettu kirjastofunktioina tai sisällytetty luokkakirjastoihin FORTRAN 90: Sisältää taulukko-operaatioita, esimerkiksi taulukkojen summan (alkioittain) Ada: Mahdollista viitata taulukon osiin indeksirajoilla -> voidaan käsitellä matriisin rivejä tai sarakkeita vektoreina A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 53

54 IV Taulukko-operaatiot (2) APL Laaja kokoelma kieleen rakennettuja vektori- ja matriisioperaatioita Suunniteltu tällaisten tehtävien ohjelmoimiseen Sisältää operaattorit mm. matriisin transponointiin, käänteismatriisin etsimiseen, vektoreiden piste- ja ristituloille A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 54

55 IV Tietueet (records) Erityyppisten tietoalkioiden kooste, jossa tiettyyn alkioon eli kenttään (field) viitataan sen nimellä Muodostetaan loogisia kokonaisuuksia, jotka koostuvat erilaisista tietoalkioista Aiemmin sisältynyt kaikkiin yleisiin kieliin Paitsi FORTRANiin Oliokielissä ei tarvetta (C++:ssa mukana) Muisti varataan peräkkäisistä muistipaikoista Yleisarvio: Käyttökelpoisia tietotyyppejä Toteutus varsin suoraviivainen eikä sisällä ongelmia yleensä missään ohjelmointikielessä A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 55

56 IV Tietueet (2) Esimerkki. C-kielessä määrittely struct Asiakas { }; char nimi[25]; int tilinro; esittely ja käyttö (varataan pinosta): struct Asiakas a; strcpy(a.nimi,"huijari"); a.tilinro = 21; varataan dynaamisesti : struct Asiakas* pa; pa = malloc( sizeof(struct Asiakas)); strcpy(pa->nimi,"huijari"); pa->tilinro = 21; A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 56

57 IV Unioni Vastaa tietotyyppien unionia Muuttujassa vain yksi kenttä, joka voi olla tyypiltään jokin annetuista tietotyypeistä -> muuttujan sisältämä tiedon tyyppi voi vaihdella ohjelman suorituksen aikana Käyttö voi olla hyödyllistä esimerkiksi kirjoitettaessa koodia, jonka on tarkoitus toimia eri ympäristöissä Esim. kokonaisluku voi olla 16-, 32- tai 64-bittinen Voidaan kirjoittaa koodia, jossa tehdään eistandardimaisia tyypinmuunnoksia -> Riski: voi aiheuttaa monia ongelmatilanteita A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 57

58 IV Unioni (2) Tyypintarkistusta tyyppiin liitettävä tietokenttä, jonka perusteella päätellään, mikä kulloinkin talletettu tyyppi Valitsinkenttä (tag field, discriminant) C ja C++ -kielissä ns. vapaa unioni (free union). Ei valitsinkenttää kertomassa, minkä tyyppinen tieto on tallennettu muuttujaan Muuttujalle varataan tila suurimman mahdollisen tietotyypin mukaan Ei tyypintarkistusta -> ohjelmoija vapaa muuntamaan tietotyypin miksi tahansa vaihtoehdoista Ongelmien vuoksi jätetty toteuttamatta monissa kielissä Esim. Java, C# A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 58

59 IV Joukkotyyppi (set) Tyypin muuttujat voivat sisältää järjestämättömän kokoelman jonkin ordinaalityypin muuttujan erillisiä arvoja -> mallinnetaan matemaattista joukkoa Yleisistä (imperatiivisista) ohjelmointikielistä ainoastaan Pascalissa Kirjastoluokkana mm. C++:ssa, C#:ssa, Javassa, Pythonissa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 59

60 IV.1.8. Osoitintyyppi (pointer type) Muuttujien arvot muistiosoitteiden arvoja ja lisäksi erityinen arvo null (tai nil) Muuttujia kutsutaan yleensä osoittimiksi (pointers) Tarvitaan käsittelemään dynaamisia muuttujia ja erityisesti dynaamisia tietorakenteita Lähes kaikissa imperatiivisissa ohjelmointikielissä mahdollista käyttää osoittimia Poikkeus FORTRAN: tietorakenteiden käsittely hankalaa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 60

61 IV.1.8. Osoitintyyppi (2) Muuttuja sisältää muistiosoitteen -> muuttujana aina saman tyyppinen Ohjelmoinnin kannalta tiedettävä osoitinmuuttujan tarkoitetyyppi (reference type) = minkälaiseen muuttujaan osoittaa Muuttuja, johon osoitinmuuttujan arvo kulloinkin viittaa, on sen tarkoitemuuttuja Osoitinmuuttuja voi viitata mihin tahansa tietotyyppiin, myös toiseen osoittimeen A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 61

62 IV.1.8. Osoitintyyppi (3) Osoitin esitellään kirjoittamalla tarkoitetyyppi ja sen jälkeen tyyppioperaattori ennen muuttujan nimeä C/C++ -kielessä * Pascalissa ^ Adassa access A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 62

63 IV Osoittimien tärkeimmät operaatiot 1. Sijoitus (assignment) *x++=*y++ Sijoittaa osoitinmuuttujan arvoksi jonkin muistipaikan 2. Muistipaikan sisältöön viittaaminen (viittauksen purkaminen, dereferencing) Toteutetaan yleensä jollakin sisältö-operaattorilla 3. Muuttujien vertailu, ts. sen vertaaminen osoittavatko ne samaan muistipaikkaan Pascalissa ainoat sallitut operaatiot osoittimille A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 63

64 IV C/C++ -kielten osoittimet Voi käyttää hyvin monipuolisesti -> ohjelmoijalle monenlaisia mahdollisuuksia, mutta virheellinen käyttö helppoa Muuttujan muistiosoite voidaan selvittää ja sijoittaa osoitinmuuttujaan, esimerkiksi int muuttuja = 20; int *pm; pm = &muuttuja; *pm = 55; // Nyt muuttuja == A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 64

65 IV C/C++ -kielten osoittimet (2) C-kielessä tyypintarkistus väljä: float f = ; int *pif; float *pf; pif = &f; pf = pif; C:ssä sallittu, mutta ei C++ :ssa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 65

66 IV C/C++ -kielten osoittimet (3) Osoitinaritmetiikka sallittu Jos ptr on osoitintyypin muuttuja, ptr+1 osoittaa seuraavan tarkoitetietotyypin muuttujan osoitteeseen. Esimerkiksi: char* ptr; -> ptr+1 osoittaa seuraavaan tavuun int* ptr; -> ptr+1 osoittaa neljän tavun päähän C/C++ -kielissä geneerinen osoitintyyppi void* voi osoittaa minkätyyppiseen muuttujaan tahansa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 66

67 IV C/C++ -kielten osoittimet (4) *x++=*y++ Esimerkki. Taulukon läpikäynti osoittimilla C/C++:ssa char c; int ki; double rl; int index; char merkit[4] = {'a','b','c','d'}; int kokoluvut[4] = {1,2,3,4}; double rluvut[4] = {1.1,2.2,3.3,4.4}; char* pc = merkit; int* pi = kokoluvut; double* pd = rluvut; for(index=0;index < 4; index++) { c = *(pc + index); ki = *(pi + index); rl = *(pd + index); printf("merkki on %c, kokonaisluku on %d, reaaliluku on %e\n", c,ki,rl); } A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 67

68 IV Osoitintyypin ongelmia 1. Moninimisyys Seuraa väistämättä osoittimien sallimisesta Osoittimet voidaan asettaa osoittamaan samaan muistipaikkaan Katsotaan yleensä haitallisiksi 2. Roikkuvat osoittimet Osoittavat jo vapautettuun muistiin Käytettäessä arvo satunnainen Voi johtaa hankalasti löydettäviin virheisiin A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 68

69 IV Osoitintyypin ongelmia (2) 3. Muistivuoto (memory leakage) Ohjelmassa varattua dynaamista muistia ei vapauteta Syntyy usein hävittämällä viite dynaamiseen muuttujaan Voi johtaa kekomuistin loppumiseen ja ohjelman kaatumiseen Osoitintyypin virheet yleisimpien C/C++ -ohjelmien virheiden joukossa A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 69

70 IV Viitetyyppi (reference type) Osoitintyypin muuttujien ongelmallisuuden takia ainakin Javassa ja C#:ssa luovuttu niistä ja korvattu viitteillä Aluksi C++ -kieleen lähinnä toteuttamaan viitetyypin parametrinvälitys funktioille Viitetyypin muuttujan avulla voidaan luoda muuttujalle alias A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 70

71 IV Viitetyyppi (2) C++ -kielen viite: vakio-osoitin, jolle tehdään implisiittinen muistiosoitteeseen viittaaminen On vakio -> alustettava jollakin muistiosoitteen arvolla, viittaa samaan muistiosoitteeseen koko elinaikansa Esimerkki float f; float &ref_f = f; tekee muuttujista f ja ref_f aliaksia -> sijoituslause ref_f = 2.78; sijoittaa muuttujan f arvoksi A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 71

72 IV Viitetyyppi (3) Java yleistänyt viitemuuttujan tyyppiä -> osoittimet voitu korvata viitteillä Kaikki luodut oliot Javassa varataan dynaamisesti kekomuistista, olion nimi on viite olioon Osoitinaritmetiikka ei sallittua Eivät ole vakio-osoittimia, viite voidaan asettaa osoittamaan toiseenkin olioon Muistivuotojen estämiseksi Javassa roskien keruu (garbage collection) huolehtii siitä, että oliot vapautetaan, kun niihin ei enää ole viittauksia A Ohjelmointikielten periaatteet, Muuttujat 72