12. Динамические структуры данных

Используемые в программировании данные можно разделить на две группы:

• данные статической структуры – это такие данные, взаиморасположение и взаимосвязи которых в теле программы фиксируются на этапе ее трансляции и всегда остаются постоянными;

• данные динамической структуры – это данные, внутреннее строение которых формируется по какому-либо закону, но количество элементов, их взаиморасположение и взаимосвязи могут динамически изменяться во время выполнения программы.

В данном разделе рассматриваются вопросы создания и использования динамических структур данных.

12.1. Указатели

В результате построения текста исполнимой программы область памяти, занимаемая ею, разбивается на две части – область кодов, в которой располагаются команды программы, и область данных, в которой размещаются статические данные (константы и переменные).

Отметим, что статические переменные – это такие переменные, которые объявляются в секции переменных (напомним, что идентификатором секции является ключевое слово var).

Ниже приведена схема размещения отдельных областей программы в оперативной памяти ЭВМ:

Статическая область программы		Свободная область ЭВМ (Heap)
Область кодов (команды программы)	Область статических данных (константы и переменные)	Область динамических переменных

Динамические переменные создаются в процессе работы программы, по ее запросу, размещаются вне тела программы, созданного при ее построении, в так называемой динамической области. Для этого предусмотрены специальные процедуры.

Поскольку требуемая для размещения переменной память находится в динамической области, в программе для связи с ней должна располагаться статическая переменная, в которую можно поместить указание на местонахождение динамической переменной. Очевидно, что тип этой статической переменной должен быть особым. И такой тип определен в языке и называется он указателем (или ссылкой).

Значением указателя является адрес первого байта области, занимаемой динамической переменной. Однако в языке удобно считать, что указатель – это средство связи с динамической переменной, которое не зависит от особенностей архитектуры конкретного компьютера, на котором выполняется программа (т.е. от того, каким образом представляется адрес в конкретной модели компьютера). Для этого типа переменных определена одна константа – NIL , обозначающая «никуда не показывает» (аналог нуля для чисел).

Объявить переменную типа «указатель» можно двумя способами:

объявив тип «указатель» в секции типов (используется ниже для объявления переменной Student);

в секции переменных (используется ниже для объявления переменной Stud).

П

type

TStudent=record

Name:string[30];

Age:integer;

end;

PStudent= ^Tstudent; {объявление типа «указатель»}

TGroup = array[1..100] of TStudent;

var

Student : PStudent; {переменная-указатель на

переменную типа TStudent}

Stud : ^TStudent; {объявление переменной-указателя

на переменную типа TStudent}

Students : ^TGroup; {указатель на массив TGroup }

окажем, как объявляются динамические переменные в Паскале.

Здесь:

Student – статическая переменная типа «указатель» на динамическую область, в которой может быть помещена запись с информацией об одном студенте;

Stud – статическая переменная типа «указатель» на динамическую область, в которой может быть помещена запись с информацией об одном студенте

Students – статическая переменная типа «указатель» на динамическую область, в которой может быть размещен массив записей с информацией о студентах.

На момент начала выполнения программы значения переменных типа «указатель» не определены, поскольку динамические переменные еще не созданы. Для того чтобы точно зафиксировать этот факт, этим переменным необходимо присвоить значение NIL.

Для того чтобы создать динамическую переменную, необходимо выполнить специальную процедуру New, указав имя переменной типа «указатель», в которую эта процедура должна вернуть адрес первого байта созданной переменной. Освободить эту область, когда в ней больше не будет необходимости, можно с помощью процедуры Dispose.

Для того чтобы получить доступ к самой динамической переменной, используется запись вида:

Размер памяти в байтах, выделенный процедурой New, определяется автоматически из объявления типа. Так, для приведенных выше переменных Student^ и Stud^ в Турбо-Паскале будет выделено по 33 байта (31 – для поля Name, плюс 2 для поля Age) и для переменной Students^ – 3300 байтов.

Н

New (Stud); {выделить память для переменной Stud}

Stud^.Name:=’Петров А.Б.’; Stud^.Age := 19;

New(Students); {выделить память для массива записей}

Students^[1].Name:=’Андреев С.А.’;

Readln(Student^[12].Age);

writeln(SizeOf(Students^)); {напечатать размер

области Students^}

иже приведены примеры использования динамических переменных и их элементов:

Допустимые операции для переменных типа «указатель»:

• присваивание (например, Student:=Stud;)

• сравнение: либо = ; либо <> (например, Stud<>NIL).

Кроме указателей на переменные определенного типа, которые объявляет программист в тексте программы, в языке Паскаль предопределен тип Pointer (так называемый анонимный указатель). Он используется в случае, когда программист желает запросить из динамической области некоторое количество байтов. Для выделения и последующего освобождения памяти без указания типа данных, размещенных в ней, используются процедуры GetMem и FreeMem соответственно. Эти процедуры часто используются для создания в программе буферов для временного хранения информации, например, при копировании, хотя возможны и другие применения (см. ниже).

Подведем итоги изложенному выше.

1. Динамические переменные применяют тогда, когда в процессе выполнения алгоритма эти переменные нужны только ограниченное время.

2. Адрес динамической переменной становится известным только в момент ее создания, и для его хранения необходима статическая переменная типа «указатель».

3. Тип «указатель» может быть определен в секции Type, но имеется и предварительно определенный тип Pointer (анонимный указатель).

4. Переменная типа «указатель» может принимать значение NIL или адреса переменной.

5. NIL - специальное значение (константа), обозначающее пустой или нулевой указатель.

6. Если P – указатель, то P^ - динамическая переменная.

7. Если Т – тип, то ^T – тип указателя на переменную типа Т.

8. Если А и В – переменные типа «указатель», то для них возможны операции присваивания (А := В) и отношения (А=В и А<> В).

В Турбо-Паскале предусмотрены следующие процедуры создания и уничтожения динамических переменных

New (P)	Создать динамическую переменную, т.е. выделить область памяти в HEAP, размер которой равен размеру переменной P^, а адрес этой области записать в переменную P.
Dispose(Р)	Освободить область памяти, занимаемую переменной P^, для другого использования (уничтожить переменную)
GetMem(Р, Size)	Создать динамическую переменную P^ размером Size [байтов]
FreeMem(P, Size)	Освободить Size байтов памяти, занимаемую P^. (Освободить можно меньше памяти, чем было выделено по GetMem)

Ф

Пусть в программе объявлены следующие переменные:

type

PStudents=array[1..100] of TStudent;

PTStudent=^TStudents;

var

PStudent:PTStudent;

NStudents:Integer;

Тогда в исполнимой секции программы возможны следующие операторы:

write (' Введите число студентов');

readln(NStudents);

GetMem(PStudent,SizeOf(TStudent)*NStudents); { зарезеровать

память для размещения массива, содержащего не 100,

а NStudents элементов}

ункция SizeOf(V) - вычисляет размер, который занимает переменная V. Функция может быть использована для создания динамической переменной, размер которой на этапе разработки программы неизвестен, и определяется в процессе выполнения программы. Примером такого применения функции является создание динамического массива:

Основной областью использования динамических переменных в программировании является организация и обработка динамических структур данных типа списков и деревьев. Динамические структуры данных типа «дерево» будут рассматриваться позже, а сейчас перейдем к рассмотрению структуры типа «список».