- •Содержание
- •Введение
- •1. Cтруктуры данных и алгоритмы
- •1.1. Понятие структур данных и алгоритмов
- •1.2. Информация и ее представление в памяти
- •1.2.1. Природа информации
- •1.2.2. Хранение информации
- •1.3. Системы счисления
- •1.3.1. Непозиционные системы счисления
- •1.3.2. Позиционные системы счисления
- •1.3.3. Изображение чисел в позиционной системе счисления
- •1.3.4. Перевод чисел из одной системы счисления в другую
- •1.4. Классификация структур данных
- •1.5. Операции над структурами данных
- •1.6. Структурность данных и технология программирования
- •2. Простые структуры данных
- •2.1. Числовые типы
- •2.1.1. Целые типы
- •2.1.2. Вещественные типы
- •1). Число 15.375;
- •2). Десятичное число 0.0375;
- •3). Десятичное число 2.5;
- •4). Значения верхней и нижней границ диапазона положительных чисел:
- •1). Число -15.375;
- •2). Число 1.0;
- •3). Значения верхней и нижней границ диапазона положительных чисел
- •2.1.3. Десятичные типы
- •2.1.4. Операции над числовыми типами
- •2.2. Битовые типы
- •2.3. Логический тип
- •2.4. Символьный тип
- •2.5. Перечислимый тип
- •2.6. Интервальный тип
- •2.7. Указатели
- •2.7.1. Физическая структура указателя
- •2.7.2. Представление указателей в языках программирования
- •2.7.3. Операции над указателями.
- •3. Статические структуры данных
- •3.1. Векторы
- •3.2. Массивы
- •3.2.1. Логическая структура
- •3.2.2. Физическая структура
- •3.2.3. Операции
- •3.2.4. Адресация элементов с помощью векторов Айлиффа
- •3.2.5. Специальные массивы
- •3.3. Множества
- •3.3.1. Числовые множества
- •3.3.2. Символьные множества
- •3.3.3. Множество из элементов перечислимого типа
- •3.3.4. Множество от интервального типа
- •3.3.5. Операции над множествами
- •3.4. Записи
- •3.4.1. Логическое и машинное представление записей
- •3.4.2. Операции над записями
- •3.5. Записи с вариантами
- •3.6. Таблицы
- •3.7. Операции логического уровня над статическими структурами. Поиск
- •3.7.1. Последовательный или линейный поиск
- •3.7.2. Бинарный поиск
- •3.8. Операции логического уровня над статическими структурами. Сортировка
- •3.8.1. Сортировки выборкой
- •3.8.2. Сортировки включением
- •3.8.3. Сортировки распределением.
- •3.8.4. Сортировки слиянием.
- •4. Полустатические структуры данных
- •4.1. Характерные особенности полустатических структур
- •4.2. Стеки
- •4.2.1. Логическая структура стека
- •4.2.2. Машинное представление стека и реализация операций
- •4.2.3. Стеки в вычислительных системах
- •4.3. Очереди fifo
- •4.3.1. Логическая структура очереди
- •4.3.2. Машинное представление очереди fifo и реализация операций
- •4.3.3. Очереди с приоритетами
- •4.3.4. Очереди в вычислительных системах
- •4.4. Деки
- •4.4.1. Логическая структура дека
- •4.4.2. Деки в вычислительных системах
- •4.5. Строки
- •4.5.1. Логическая структура строки
- •4.5.2. Операции над строками
- •4.5.3. Представление строк в памяти.
- •5. Динамические структуры данных. Связные списки
- •5.1. Связное представление данных в памяти
- •5.2. Связные линейные списки
- •5.2.1. Машинное представление связных линейных списков
- •5.2.2. Реализация операций над связными линейными списками
- •5.2.3. Применение линейных списков
- •5.3. Мультисписки
- •5.4. Нелинейные разветвленные списки
- •5.4.1. Основные понятия
- •5.4.2. Представление списковых структур в памяти.
- •5.4.3. Операции обработки списков
- •5.5. Язык программирования lisp
- •5.6. Управление динамически выделяемой памятью
- •6. Нелинейные структуры данных
- •6.1.Графы
- •6.1.1. Логическая структура, определения
- •6.1.2. Машинное представление оpгpафов
- •6.2. Деревья
- •6.2.1. Основные определения
- •6.2.2. Логическое представление и изображение деревьев.
- •6.2.3. Бинарные деревья.
- •6.2.4. Представление любого дерева, леса бинарными деревьями.
- •6.2.5. Машинное представление деревьев в памяти эвм.
- •6.2.6. Основные операции над деревьями.
- •6.2.7. Приложения деревьев.
- •6.2.8 Деревья Хаффмена (деревья минимального кодирования)
- •6.2.9 Деревья при работе с арифметическими выражениями
- •6.2.10 Формирование таблиц символов.
- •6.2.11 Сбалансированные деревья
2.7. Указатели
Тип указателя представляет собой адрес ячейки памяти (в подавляющем большинстве современных вычислительных систем размер ячейки - минимальной адресуемой единицы памяти - составляет один байт). При программировании на низком уровне - в машинных кодах, на языке Ассемблера и на языке C, который специально ориентирован на системных программистов, работа с адресами составляет значительную часть программных кодов. При решении прикладных задач с использованием языков высокого уровня наиболее частые случаи, когда программисту могут понадобиться указатели, следующие:
1) При необходимости представить одну и ту же область памяти, а следовательно, одни и те же физические данные, как данные разной логической структуры. В этом случае в программе вводятся два или более указателей, которые содержат адрес одной и той же области памяти, но имеют разный тип (см.ниже). Обращаясь к этой области памяти по тому или иному указателю, программист обрабатывает ее содержимое как данные того или иного типа.
2) При работе с динамическими структурами данных,что более важно. Память под такие структуры выделяется в ходе выполнения программы, стандартные процедуры/функции выделения памяти возвращают адрес выделенной области памяти - указатель на нее. К содержимому динамически выделенной области памяти программист может обращаться только через такой указатель.
2.7.1. Физическая структура указателя
Физическое представление адреса существенно зависит от аппаратной архитектуры вычислительной системы. Рассмотрим в качестве примера структуру адреса в микропроцессоре i8086.
Машинное слово этого процессора имеет размер 16 двоичных разрядов. Если использовать представление адреса в одном слове, то можно адресовать 64 Кбайт памяти, что явно недостаточно для сколько-нибудь серьезного программного изделия. Поэтому адрес представляется в виде двух 16-разрядных слов - сегмента и смещения. Сегментная часть адреса загружается в один из специальных сегментных регистров (в i8086 таких регистров 4). При обращении по адресу задается идентификатор сегментного регистра и 16-битное смещение. Полный физический (эффективный) адрес получается следующим образом. Сегментная часть адреса сдвигается на 4 разряда влево, освободившиеся слева разряды заполняются нулями, к полученному таким образом коду прибавляется смещение, как показано на рис. 2.8.
Рис 2.8. Вычисление полного адреса в микропроцессоре i8086.
Полученный эффективный адрес имеет размер 20 двоичных разрядов, таким образом, он позволяет адресовать до 1 Мбайт памяти.
Еще раз повторим, что физическая структура адреса принципиально различна для разных аппаратных архитектур. Так, например, в микропроцессоре i386 обе компоненты адреса 32-разрядные; в процессорах семейства S/390 адрес представляется в виде 31-разрядного смещения в одном из 19 адресных пространств, в процессоре Power PC 620 одним 64-разрядным словом может адресоваться вся как оперативная, так и внешняя память.
Операционная система MS DOS была разработана именно для процессора i8086 и использует описанную структуру адреса даже, когда выполняется на более совершенных процессорах. Однако, это сегодня единственная операционная система, в среде которой программист может работать с адресами в реальной памяти и с физической структурой адреса. Все без исключения современные модели процессоров аппаратно выполняют так называемую динамическую трансляцию адресов и совместно с современными операционными системами обеспечивают работу программ в виртуальной (кажущейся) памяти. Программа разрабатывается и выполняется в некоторой виртуальной памяти, адреса в которой линейно изменяются от 0 до некоторого максимального значения. Виртуальный адрес представляет собой число - номер ячейки в виртуальном адресном пространстве. Преобразование виртуального адреса в реальный производится аппаратно при каждом обращении по виртуальному адресу. Это преобразование выполняется совершенно незаметно (прозрачно) для программиста, поэтому в современных системах программист может считать физической структурой адреса структуру виртуального адреса. Виртуальный же адрес представляет собой целое число без знака. В разных вычислительных системах может различаться разрядность этого числа. Большинство современных систем обеспечивают 32-разрядный адрес, позволяющий адресовать до 4 Гбайт памяти, но уже существуют системы с 48 и даже 64-разрядными адресами.