Преобразования типов

Краткая аннотация лекции.

В лекции рассматриваются понятие типов данных в языках программирования, приводится классификация типов данных в С++, излагаются особенности представления базовых типов и операций над ними, рекомендации и правила выполнения операции преобразования базовых типов в С++.

Цель лекции: изучить классификацию типов и их внутренне представление в языке С++, научиться работать со стандартными и пользовательскими типами.

Текст лекции.

Основная цель любой программы состоит в обработке каких-либо данных, например, чисел или текстов. Данные могут быть различного вида или типа и, в зависимости от этого, с ними можно выполнять разные действия.

В любом языке программирования каждая константа, переменная, результат вычисления выражения или функции должны иметь определенный тип данных.

Тип данных – это множество допустимых значений, которые может принимать тот или иной объект, а также множество допустимых операций, которые применимы к нему. В современном понимании тип также зависит от внутреннего представления информации.

Таким образом, данные различных типов хранятся и обрабатываются по-разному. Тип данных определяет:

· внутреннее представление данных в памяти компьютера;

· объем памяти, выделяемый под данные;

· множество (диапазон) значений, которые могут принимать величины этого типа;

· операции и функции, которые можно применять к данным этого типа.

Исходя из данных характеристик, необходимо определять тип каждой величины, используемой в программе для представления объектов. Обязательное описание типа позволяет компилятору производить проверку допустимости различных конструкций программы. От выбора типа величины зависит последовательность машинных команд, построенная компилятором.

Классификация типов данных в С++

Современные языки программирования, как правило, могут иметь набор простых типов, являющихся встроенными в данный язык программирования, и средства для создания производных типов.

Объектно-ориентированные языки программирования позволяют определять типы класса.

Реализация простых типов данных заключается в способе представления значений данного типа в компьютере и в наборе операций, поддерживаемых для данного типа.

Тип данных определяет размер памяти, выделяемой под переменную данного типа при ее создании. Язык программирования C++ поддерживает следующие типы данных (рис. 1).

· Базовые типы. Базовые типы предопределены стандартом языка, указываются зарезервированными ключевыми словами и характеризуются одним значением. Их не надо определять и их нельзя разложить на более простые составляющие без потери сущности данных. Базовые типы объектов создают основу для построения более сложных типов.

· Производные типы. Производные типы задаются пользователем, и переменные этих типов создаются как с использованием базовых типов, так и типов классов.

· Типы класса. Экземпляры этих типов называются объектами.

Рис. 1. Типы данных в языке С++

Существует четыре спецификатора типа данных, уточняющих внутреннее представление и диапазон базовых типов:

Рассмотрим более подробно базовые типы данных.

Целочисленный (целый) тип данных (тип int)

Переменные данного типа применяются для хранения целых чисел (integer). Описание переменной, имеющей тип int, сообщает компилятору, что он должен связать с идентификатором (именем) переменной количество памяти, достаточное для хранения целого числа во время выполнения программы.

Границы диапазона целых чисел, которые можно хранить в переменных типа int, зависят от конкретного компьютера, компилятора и операционной системы (от реализации). Для 16-разрядного процессора под него отводится 2 байта, для 32-разрядного – 4 байта.

Для внутреннего представления знаковых целых чисел характерно определение знака по младшему биту (0 – для положительных, 1 – для отрицательных). Поэтому число 0 во внутреннем представлении относится к положительным значениям. Следовательно, наблюдается асимметрия границ целых промежутков.

В целочисленных типах для всех значений определены следующий и предыдущий элементы. Для максимального следующим значением будет являться минимальное в этом же типе, предыдущее для минимального определяется как максимальное значение. То есть целочисленный диапазон условно можно представить сомкнутым в кольцо. Поэтому определены операции декремента для минимального и инкремента для максимального значений в целых типах.

От количества отводимой под объект памяти зависит множество допустимых значений, которые может принимать объект:

· short int – занимает 2 байта, следовательно, имеет диапазон от –32 768 до +32 767;

· int – занимает 4 байта, следовательно, имеет диапазон от –2 147 483 648 до +2 147 483 647;

· long int – занимает 4 байта, следовательно, имеет диапазон от –2 147 483 648 до +2 147 483 647;

· long long int – занимает 8 байтов, следовательно, имеет диапазон от –9 223 372 036 854 775 808 до +9 223 372 036 854 775 807.

Модификаторы signed и unsigned также влияют на множество допустимых значений, которые может принимать объект:

· unsigned short int – занимает 2 байта, следовательно, имеет диапазон от 0 до 65 536;

· unsigned int – занимает 4 байта, следовательно, имеет диапазон от 0 до 4 294 967 295;

· unsigned long int – занимает 4 байта, следовательно, имеет диапазон от 0 до 4 294 967 295;

· unsigned long long int – занимает 8 байтов, следовательно, имеет диапазон от 0 до 18 446 744 073 709 551 615.

Например:

unsigned int b;

signed int a;

int c;

unsigned d;

signed f;

Приведем несколько правил, касающихся записи целочисленных значений в исходном тексте программ.

· Нельзя пользоваться десятичной точкой. Значения 26 и 26.0 одинаковы, но 26.0 не является значением типа int.

· Нельзя пользоваться запятыми в качестве разделителей тысяч. Например, число 23,897 следует записывать как 23897.

· Целые значения не должны начинаться с незначащего нуля. Он применяется для обозначения восьмеричных или шестнадцатеричных чисел, так что компилятор будет рассматривать значение 011 как число 9 в восьмеричной системе счисления.

На практике рекомендуется использовать основной целый тип, то есть тип int. Данные основного целого типа практически всегда обрабатываются быстрее, чем данные других целых типов. Короткий тип short подойдет для хранения больших массивов чисел с целью экономии памяти при условии, что значения элементов не выходят за предельные границы для этих типов. Длинные типы необходимы в ситуации, когда не достаточно типа int.

Вещественный (данные с плавающей точкой) тип данных (типы float и double)

Для хранения вещественных чисел применяются типы данных float (с одинарной точностью) и double (с двойной точностью). Смысл знаков "+" и "-" для вещественных типов совпадает с целыми. Последние незначащие нули справа от десятичной точки игнорируются. Поэтому варианты записи +523.5, 523.5 и 523.500 представляют одно и то же значение.

Для представления вещественных чисел используются два формата:

· с фиксированной точкой

[знак][целая часть].[дробная часть]

Например: –8.13; .168 (аналогично 0.168); 183. (аналогично 183.0).

· с плавающей точкой (экспоненциальной форме)

мантисса Е/е порядок

Например: 5.235e+02 (5.235 · 10² = 523.5);

–3.4Е-03 (–3.4 · 10^-3 = – 0.0034)

В большинстве случаев используется тип double, он обеспечивает более высокую точность, чем тип float. Максимальную точность и наибольший диапазон чисел достигается с помощью типа long double.

Величина с модификатором типа float занимает 4 байта. Из них 1 бит отводится для знака, 8 бит для избыточной экспоненты и 23 бита для мантиссы. Отметим, что старший бит мантиссы всегда равен 1, поэтому он не заполняется, в связи с этим диапазон модулей значений переменной с плавающей точкой приблизительно равен от 3.14E–38 до 3.14E+38.

Величина типа double занимает 8 байтов в памяти. Ее формат аналогичен формату float. Биты памяти распределяются следующим образом: 1 бит для знака, 11 бит для экспоненты и 52 бита для мантиссы. С учетом опущенного старшего бита мантиссы диапазон модулей значений переменной с двойной точностью равен от 1.7E–308 до 1.7E+308.

Величина типа long double аналогична типу double.

Например:

float a, b;

double x, y;

long double z;

Символьный тип данных (тип char)

В стандарте C++ нет типа данных, который можно было бы считать действительно символьным. Для представления символьной информации есть два типа данных, пригодных для этой цели, – это типы char и wchar_t.

Переменная типа char рассчитана на хранение только одного символа (например, буквы или пробела). В памяти компьютера символы хранятся в виде целых чисел. Соответствие между символами и их кодами определяется таблицей кодировки, которая зависит от компьютера и операционной системы. Почти во всех таблицах кодировки есть прописные и строчные буквы латинского алфавита, цифры 0, ... , 9, и некоторые специальные символы. Самой распространенной таблицей кодировки является таблица символов ASCII (American Standard Code for Information Interchange – Американский стандартный код для обмена информацией).

Так как в памяти компьютера символы хранятся в виде целых чисел, то тип char на самом деле является подмножеством типа int.

Под величину символьного типа отводится 1 байт.

Тип char может использоваться со спецификаторами signed и unsigned. В данных типа signed char можно хранить значения в диапазоне от –128 до 127. При использовании типа unsigned char значения могут находиться в диапазоне от 0 до 255. Для кодировки используется код ASCII. Символы с кодами от 0 до 31 относятся к служебным и имеют самостоятельное значение только в операторах ввода-вывода.

Величины типа char также применяются для хранения чисел из указанных диапазонов.

Тип wchar_t предназначен для работы с набором символов, для кодировки которых недостаточно 1 байта, например в кодировке Unicode. Размер типа wchar_t равен 2 байтам. Если в программе необходимо использовать строковые константы типа wchar_t, то их записывают с префиксом L, например, L"Слово".

Например:

char c='c';

char a,b;

char r[]={'A','B','C','D','E','F','\0'};

char s[] = ”ABCDEF”;

Логический (булевый) тип данных (тип bool)

В языке С++ используется двоичная логика (истина, ложь). Лжи соответствует нулевое значение, истине – единица. Величины данного типа могут также принимать значения true и false.

Внутренняя форма представления значения false соответствует 0, любое другое значение интерпретируется как true. В некоторых компиляторах языка С++ нет данного типа, в этом случае используют тип int, который при истинных значениях выдает 1, а при ложных – 0. Под данные логического типа отводится 1 байт.

Перечисляемый тип (тип enum)

Данный тип определяется как набор идентификаторов, являющихся обычными именованными целыми константами, которым приписаны уникальные и удобные для использования обозначения. Таким образом, перечисления представляют собой упорядоченные наборы целых значений. Они имеют своеобразный синтаксис и достаточно специфическую область использования.

Переменная, которая может принимать значение из некоторого списка определенных констант, называется переменной перечисляемого типа или перечислением. Данная переменная может принимать значение только из именованных констант списка. Именованные константы списка имеют тип int. Следовательно, память, соответствующая переменной перечисления, – это память, необходимая для размещения значения типа int.

Например:

enum year {winter, spring, summer, autumn};

enum week {Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday,

Thursday, Friday, Saturday};

Тип void

Множество значений этого типа пусто. Тип void имеет три назначения:

1. указание о невозвращении функцией значения;

2. указание о неполучении параметров функцией;

3. создание нетипизированных указателей.

Тип void в основном используется для определения функций, которые не возвращают значения, для указания пустого списка аргументов функции, как базовый тип для указателей и в операции приведения типов.

Основные типы данных

Диапазон значений -2 147 483 648 до 2 147 483 647 0 до 4 294 967 295 -32 768 до 32 767 0 до 65 535 -2 147 483 648 до 2 147 483 647 0 до 4 294 967 295 -9 223 372 036 854 775 808 до 9 223 372 036 854 775 807 0 до 18 446 744 073 709 551 615 -128 до 127 0 до 255 0 до 65 535 3.4Е-38 до 3.4Е+38 (7 значащих цифр) 1.7Е-308 до 1.7Е+308 (15 значащих цифр) 1.7Е-308 до 1.7Е+308 (15 значащих цифр) true (1) или false (0) -2 147 483 648 до 2 147 483 647 Размер памяти, байт (бит) 4 (32) 4 (32) 2 (16) 2 (16) 4 (32) 4 (32) 8 (64) 8 (64) 1 (8) 1 (8) 2 (16) 4 (32) 8 (64) 8 (64) 1 (8) 4 (32) Название целый беззнаковый целый короткий целый беззнаковый короткий целый длинный целый беззнаковый длинный целый длинный-предлинный целый беззнаковый длинный-предлинный целый байт (целый длиной не менее 8 бит) беззнаковый байт расширенный символьный вещественный одинарной точности вещественный двойной точности вещественный максимальной точности логический перечисляемый Обозначение Другие имена signed signed int unsigned short int signed short int unsigned short int long int signed long int unsigned long int long long int signed long long int unsigned long long int signed char – – – – – – – Имя типа int unsigned int short unsigned short long unsigned long long long unsigned long long char unsigned char wchar_t float double long double bool enum Тип

Преобразования типов

При вычислении выражений некоторые операции требуют, чтобы операнды имели соответствующий тип, в противном же случае на этапе компиляции выдается сообщение об ошибке. Например, операция взятия остатка от деления (%) требует целочисленных операндов. Поэтому в языке С++ есть возможность приведения значений одного типа к другому.

Преобразование типов – это приведение значения переменной одного типа в значение другого типа.

Выделяют явное и неявное приведения типов. При явном приведении указывается тип переменной, к которому необходимо преобразовать исходную переменную. При неявном приведении преобразование происходит автоматически, по правилам, заложенным в языке программирования С++.

Формат операции явного преобразования типов:

имя_типа (операнд)

Например, int(x), float(2/5), long(x+y/0.5).

Пример 1.

//Взятие цифры разряда сотых в дробном числе

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){

float s,t;

long int a,b;

printf("Введите вещественное число\n");

scanf("%f", &s);

t=s*100;

a=int(t);

//переменная t приводится к типу int в переменную a

b=a%10;

printf("\nЦифра разряда сотых числа %f равна %d.", s, b);

system("pause");

return 0;

}

Преобразования типов нужно применять с осторожностью, так как данная операция может приводить к потере информации. Например, после приведения длинного типа к более короткому происходит усечение информации из старших битов.

Пример 2.Временной интервал

Заданы моменты начала и конца некоторого промежутка времени в часах, минутах и секундах (в пределах одних суток). Найти продолжительность этого промежутка в тех же единицах.

Исходными данными для этой задачи являются шесть целых величин, задающих моменты начала и конца интервала, результатами – три целых величины (тип int).

Обозначим переменные для хранения начала интервала hour1, min1 и sec1, для хранения конца интервала – hour2, min2 и sec2, а результирующие величины – hour, min и sec.

Для решения этой задачи необходимо преобразовать оба момента времени в секунды, вычесть первый из второго, а затем преобразовать результат обратно в часы, минуты и секунды. Следовательно, потребуется промежуточная переменная sum_sec, в которой будет храниться величина интервала в секундах. Она может иметь весьма большие значения, ведь в сутках 86400 секунд, что выходит за пределы типа int. Следовательно, для этой переменной выберем длинный целый тип (long int, сокращенно long).

Для перевода результата из секунд обратно в часы и минуты используется отбрасывание дробной части при делении целого числа на целое.

//Временной интервал. Форматированный ввод-вывод данных

#include "stdafx.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]){

int hour1, min1, sec1, hour2, min2, sec2, hour, min, sec;

long int sum_sec;

printf("Введите время начала интервала (час мин сек)\n");

scanf("%d%d%d", &hour1,&min1,&sec1);

printf("Введите время окончания интервала (час мин сек)\n");

scanf("%d%d%d", &hour2,&min2,&sec2);

sum_sec = (hour2-hour1)*3600+(min2-min1)*60+sec2-sec1;

hour = sum_sec/3600;

min = (sum_sec-hour*3600)/60;

sec = sum_sec-hour*3600-min*60;

printf("Продолжительность промежутка от %d:%d:%d до

%d:%d:%d\n",hour1,min1,sec1,hour2,min2,sec2);

printf(" равна %d:%d:%d\n",hour,min,sec);

system("pause");

return 0;

}

При выполнении математических операций производится неявное (автоматическое) преобразование типов, чтобы привести операнды выражений к общему типу или чтобы расширить короткие величины до размера целых величин, используемых в машинных командах. Выполнение преобразования зависит от специфики операций и от типа операнда или операндов.

1. Преобразование целых типов со знаком.

· Целое со знаком преобразуется к более короткому целому со знаком, с потерей информации: пропадают все разряды числа, которые находятся выше (или, соответственно – ниже) границы, определяющей максимальный размер переменной.

· Целое со знаком преобразуется к более длинному целому со знаком. Путем размножения знака. То есть все добавленные биты двоичного числа будут заняты тем же числом, которое находилось в знаковом бите: если число было положительным, то это будет, соответственно 0, если отрицательным, то 1.

· Целое со знаком к целому без знака. Первым шагом целое со знаком преобразуется к целому со знаком, соответствующему целевому типу, если этот тип данных крупнее. У получившегося значения бит знака не отбрасывается, а рассматривается равноправным по отношению к остальным битам, то есть теперь все биты образуют числовое значение.

· Преобразование целого со знаком к плавающему типу происходит без потери информации, за исключением случая преобразования типа long int или unsigned long int к типу float, когда точность часто может быть потеряна.

2. Преобразование целых типов без знака.

· Целое без знака преобразуется к более короткому целому без знака или со знаком путем усечения.

· Целое без знака преобразуется к более длинному целому без знака или со знаком путем добавления нулей слева.

· Целое без знака преобразуется к целому со знаком того же размера. Если взять для примера, unsigned short и short – числа в диапазоне от 32768 до 65535 превратятся в отрицательные.

· Целое без знака преобразуется к плавающему типу. Сначала оно преобразуется к значению типа signed long, которое затем преобразуется в плавающий тип.

3. Преобразования плавающих типов.

· Величины типа float преобразуются к типу double без изменения значения.

· Величины double преобразуются к float c некоторой потерей точности, то есть, количества знаков после запятой. Если значение слишком велико для float, то происходит потеря значимости, о чем сообщается во время выполнения.

· При преобразовании величины с плавающей точкой к целым типам она сначала преобразуется к типу long (дробная часть плавающей величины при этом отбрасывается), а затем величина типа long преобразуется к требуемому целому типу. Если значение слишком велико для long, то результат преобразования не определен. Обычно это означает, что на усмотрение компилятора может получиться любой «мусор». В реальной практике с такими преобразованиями обычно сталкиваться не приходится.

Ключевые термины

Базовые типы – это типы данных, которые предопределены стандартом языка, указываются зарезервированными ключевыми словами, характеризуются одним значением и внутренним представлением.

Вещественный тип– это базовый тип данных, который применяется для хранения дробных чисел в формате с плавающей точкой.

Логический (булевый) тип– это базовый тип данных, который применяется для хранения значений двузначной логики.

Неявное приведение типа – это преобразование значения переменной к новому типу, которое происходит автоматически, по правилам, заложенным в языке программирования.

Перечисляемый тип – это производный тип данных, он определяется как набор идентификаторов, являющихся именованными целыми константами, которым приписаны уникальные обозначения

Преобразование типов – это приведение значения переменной одного типа в значение другого типа.

Производные типы – это типы данных, которые задаются пользователем.

Символьный тип– это базовый тип данных, который применяется для хранения символов или управляющих последовательностей в виде кода.

Тип данных – это множество допустимых значений, которые может принимать тот или иной объект, а также множество допустимых операций, которые применимы к нему.

Типы класса – это типы данных, экземплярами которых являются объекты.

Целочисленный тип– это базовый тип данных, который применяется для хранения целых чисел.

Явное приведение типа – это преобразование значения переменной к новому типу, при котором указывается тип переменной, к которому необходимо привести исходную переменную.

Краткие итоги

1.Для организации хранения данных и корректного выполнения операций над ними в языках программирования определены типы данных.

2.Типы характеризуются схожим внутренним представлением данных в памяти компьютера; объемом памяти, выделяемым под данные; множеством (диапазоном) принимаемых значений; допустимыми операциями и функциями.

3.В языке С++ типы классифицируются на базовые, производные и классы.

4.Для базовых типов определены их подмножества и расширения, что обеспечивает повышение точности расчетов или экономный расход памяти.

5.Над типами данных определена операция преобразования типов. Ее следует применять с осторожностью при переходе к типу, у которого меньше по модулю границы диапазонов.

Набор для практики

Вопросы

1. Почему в языке С++ определена строгая типизация данных, используемых в программе?

2. Как определяются границы диапазона базового типа в зависимости от выделяемой под этот тип памяти?

3. С какой целью в С++ определен тип void?

4. Какой объем памяти выделяется под переменную типа void? Какие значения может принимать переменная типа void?

5. Почему наблюдается асимметрия значений границ диапазонов целочисленных типов?

6. Чему будет равно значение операции инкремента для максимального числа в целочисленном типе? А каков результат декремента для минимального значения в таком же типе?

7. Почему запись целых чисел нельзя начинать с незначащих нулей?

8. Каким образом представлено число ноль в вещественных типах?

9. Почему в С++ символьный тип считается подмножеством целочисленного типа?

10. Каким образом можно инициализировать переменную перечисляемого типа?

11. При преобразовании целого со знаком к целому без знака всегда ли будет получено исходное числовое значение? Ответ обоснуйте.

Упражнения

1.Наберите коды программ из Примеров 1-2. Выполните компиляцию и запуск программ.

2.Найдите сумму первых трех цифр дробной части вещественного числа. Например, для числа 23,16809 она равна 15.

3.Составьте программу вычисления стоимости поездки на автомобиле на дачу (туда и обратно). Исходными данными являются: расстояние до дачи (в километрах); количество бензина, которое потребляет автомобиль на 100 км пробега; цена одного литра бензина. Ниже представлен рекомендуемый вид диалога во время работы программы. Данные, вводимые пользователем, выделены жирным шрифтом.

Вычисление стоимости поездки на дачу.

Расстояние до дачи (км) – 67

Расход бензина (л на 100 км) – 8.5

Цена литра бензина (руб.) – 23.7

Поездка на дачу обойдется в 269 руб. 94 коп.

4.Составьте линейную программу, печатающую значение 1, если указанное высказывание является истинным, и 0– в противном случае. Величина d является корнем только одного из уравнений ах² + bх + с = 0 и тх + п = 0относительно х.

5.Составьте программу, которая преобразует введенное с клавиатуры дробное число в денежный формат. Например, число 12,348 должно быть преобразовано к виду 12 руб. 35 коп. Ниже представлен рекомендуемый вид диалога во время работы программы. Данные, вводимые пользователем, выделены жирным шрифтом.

Преобразование числа в денежный формат.

Введите дробное число – 23,6

23.6 руб. – это 23 руб. 60 коп.

Литература

1. Керниган, Б. Язык программирования Си / Б. Керниган, Д. Ритчи. – М.: Вильямс, 2007. – 304 с.

2. Подбельский, В.В. Практикум по программированию на языке Си: учеб. пособие / В.В. Подбельский. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 576 с.

3. Подбельский, В.В. Программирование на языке Си: учеб. пособие / В.В. Подбельский, С.С. Фомин. – М.: Финансы и статистика, 2004. – 600 с.

4. Подбельский, В.В. Язык Си++: учеб. пособие / В.В. Подбельский. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 560 с.

5. Романов, Е.Л. Практикум по программированию на языке С++: учеб. пособие / Е.Л. Романов. – СПб: БХВ-Петербург, 2004. – 432 с.

6. С/С++. Структурное программирование: практикум / Т.А. Павловская, Ю.А. Щупак. – СПб: Питер, 2004. – 239 с.