Типизация данных

Тип данных — фундаментальное понятие теории программирования. Тип данных определяет множество значений, набор операций, которые можно применять к таким значениям, и, возможно, способ реализации хранения значений и выполнения операций. Любые данные, которыми оперируют программы, относятся к определённым типам.

История

Ещё в 1960-х гг. Р. Хиндли (Roger Hindley) исследовал типизацию в комбинаторной логике. Его проблемной областью была типизация в языках, основанных на теории лямбда-исчисления. Позднее, в конце 1960-х годов, тот же учёный исследовал полиморфные системы типов. Позже, в 1970-х годах, Робин Милнер предложил практическую реализацию расширенной системы полиморфной типизации для языка функционального программирования ML.

Определение

Тип (сорт) — относительно устойчивая и независимая совокупность элементов, которую можно выделить во всём рассматриваемом множестве (предметной области).^[1]

Полиморфный тип — представление набора типов как единственного типа.

Математически тип может быть определён двумя способами:

1. Множеством всех значений, принадлежащим типу.
2. Предикатной функцией, определяющей принадлежность объекта к данному типу

Необходимость использования типов данных

Типы данных различаются начиная с нижних уровней системы. Так, например, даже в Ассемблере х86 различаются типы «целое число» и «вещественное число». Это объясняется тем, что для чисел рассматриваемых типов отводятся различные объёмы памяти, используются различные регистры микропроцессора, а для операций с ними применяются различные команды Ассемблера и различные ядра микропроцессора.

Концепция типа данных появилась в языках программирования высокого уровня как естественное отражение того факта, что обрабатываемые программой данные могут иметь различные множества допустимых значений, храниться в памяти компьютера различным образом, занимать различные объёмы памяти и обрабатываться с помощью различных команд процессора.

Практическое применение

Как правило, типы в языках программирования не всегда строго соответствуют подобным типам в математике. Например, тип «целое число» большинства языков программирования не соответствует принятому в математике типу «целое число», так как в математике указанный тип не имеет ограничений ни сверху, ни снизу, а в языках программирования эти ограничения есть. Как правило, в языках и системах имеется множество целых типов, отличающихся допустимым диапазоном значений (определяемым объёмом занимаемой памяти). Стоит отметить, что в большинстве реализаций языков и систем выход за границу целого типа (переполнение) не приводит к исключительной ситуации.

Современные языки программирования (включая Ассемблер) поддерживают оба способа задания типа (см. Определение). Так, в С++ тип enum является примером задания типа через набор значений. Определение класса (если рассматривать класс как тип данных) фактически является определением предиката типа, причём возможна проверка предиката как на этапе компиляции (проверка соответствия типов), так и на этапе выполнения (полиморфизм очень тесно связано с полиморфными типами). Для базовых типов подобные предикаты заданы создателями языка изначально.

Языки без типов

Теоретически не может существовать языков, в которых отсутствуют типы (включая полиморфные). Это следует из того, что все языки основаны на машине Тьюринга или на лямбда-исчислении. И в том, и в другом случае необходимо оперировать как минимум одним типом данных — хранящимся на ленте (машина Тьюринга) или передаваемым и возвращаемым из функции (лямбда-исчисление).

Языки программирования по способу определения типов данных

Ниже перечислены языки программирования по способу определения типов данных:

1) Языки с полиморфным типом данных. Одни языки не связывают переменные, константы, формальные параметры и возвращаемые значения функций с определёнными типами, поддерживая единственный полиморфный тип данных. В чистом виде таких языков не встречается, но близкие примеры — MS Visual Basic, Delphi — тип variant, Пролог, Лисп — списки. В этих языках переменная может принимать значение любого типа, в параметры функции можно передавать значения любых типов, и вернуть функция также может значение любого типа. Сопоставление типов значений переменных и параметров с применяемыми к ним операциями производится непосредственно при выполнении этих операций. Например, выражение a+b, может трактоваться как сложение чисел, если a и b имеют числовые значения, как конкатенация строк, если a и b имеют строковые значения, и как недопустимая (ошибочная) операция, если типы значений a и b несовместимы. Такой порядок называют «динамической типизацией» (соответствует понятию полиморфизм в ООП, полиморфный тип в теории типов). Языки, поддерживающие только динамическую типизацию, называют иногда «бестиповыми». Это название не следует понимать как признак отсутствия понятия типов в языке — типы данных всё равно есть.

2) Языки с неявным определением типов. Казалось бы, BASIC является примером языка без типов. Однако это строго типизированый язык: в нём различаются строковые типы (добавляется символ $), массивы (добавляется []) и числовые типы (ничего не добавляется).

3) Языки с типом, определяемым пользователем. Также хорошо известны языки, в которых типы данных определяются автоматически, а не задаются пользователем. Каждой переменной, параметру, функции приписывается определённый тип данных. В этом случае для любого выражения возможность его выполнения и тип полученного значения могут быть определены без исполнения программы. Такой подход называют «статической типизацией». При этом правила обращения с переменными, выражениями и параметрами разных типов могут быть как очень строгими (С++), так и весьма либеральными (Си). Например, в классическом языке Си практически все типы данных совместимы — их можно применять совместно в любых выражениях, присваивать значение переменной одного типа переменной другого почти без ограничений. При таких операциях компилятор генерирует код, обеспечивающий преобразование типов, а логическая корректность такого преобразования остаётся на совести программиста. Подобные языки называют «языками со слабой типизацией». Противоположнось им — «языки с сильной типизацией», такие как Ада. В них каждая операция требует операндов строго заданных типов. Никакие автоматические преобразования типов не поддерживаются — их можно выполнить только явно, с помощью соответствующих функций и операций. Сильная типизация делает процесс программирования более сложным, но даёт в результате программы, содержащие заметно меньше труднообнаруживаемых ошибок.

На практике языки программирования поддерживают несколько моделей определения типов одновременно.

Базовые типы

Каждый язык программирования поддерживает один или несколько встроенных типов данных (базовых типов) (см. классификацию типов данных), кроме того, развитые языки программирования предоставляют программисту возможность описывать собственные типы данных, комбинируя или расширяя существующие.

Преимущества от использования типов данных

• Надёжность. Типы данных защищают от трёх видов ошибок:

1. Некорректное присваивание. Пусть переменная объявлена как имеющая числовой тип. Тогда попытка присвоить ей символьное или какое-либо другое значение в случае статической типизации приведёт к ошибке компиляции и не даст такой программе запуститься. В случае динамической типизации интерпретатор программы перед выполнением потенциально опасного действия сравнит типы данных переменной и значения и также выдаст ошибку. Всё это позволяет избежать неправильной работы и «падения» программы.
2. Некорректная операция. Позволяет избежать попыток применения выражений вида «Hello world» + 1. Поскольку, как уже говорилось, все переменные в памяти хранятся как наборы битов, то при отсутствии типов подобная операция была выполнима (и могла дать результат вроде «ello worldǼ»). С использованием типов (см. далее «Контроль типов») такие ошибки отсекаются опять же на этапе компиляции.
3. Некорректная передача параметров. Если функция «синус» ожидает, что ей будет передан числовой аргумент, то передача ей в качестве параметра строки «Hello world» может иметь непредсказуемые последствия. При помощи контроля типов такие ошибки также отсекаются на этапе компиляции.

• Стандартизация. Благодаря соглашениям о типах, поддерживаемых большинством систем программирования, сложилась ситуация, когда программисты могут быстро менять свои рабочие инструменты, а программы не требуют больших переделок при переносе исходных текстов в другую среду. Стандартизации по универсальным типам данных ещё есть куда развиваться.

• Документация. Использование того или другого типа данных объясняет намерения программиста. Например, enum и bool в языке не обязательны и вместо них может быть int — но оба они означают, что перед нами не целая величина, а одно из нескольких предопределённых значений.

Классификация типов данных^[2][3]

Типы данных бывают следующие:

• Простые.
  • Перечислимый тип. Может хранить только те значения, которые прямо указаны в его описании.
  • Числовые. Хранятся числа. Могут применяться обычные арифметические операции.
    • Целочисленные: со знаком, то есть могут принимать как положительные, так и отрицательные значения; и без знака, то есть могут принимать только неотрицательные значения.
    • Вещественные: с запятой (то есть хранятся знак и цифры целой и дробной частей) и с плавающей запятой (то есть число приводится к виду m*b^e, где m — мантисса, b — основание показательной функции, e — показатель степени (порядок) (в англоязычной литературе экспонента), причём в нормальной форме 0<=m<b, а в нормализованной форме 1<=m<b, e — целое число и хранятся знак и числа m и e).
    • Числа произвольной точности, обращение с которыми происходит посредством длинной арифметики. Примером языка с встроенной поддержкой таких типов является UBASIC, часто применяемый среди криптографов.
  • Символьный тип. Хранит один символ. Могут использоваться различные кодировки.
  • Логический тип. Имеет два значения: истина и ложь, при троичной логике может иметь и третье значение — «не определено» (или «неизвестно»). Могут применяться логические операции. Используется в операторах ветвления и циклах. В некоторых языках является подтипом числового типа, при этом ложь=0, истина=1.
  • Множество. В основном совпадает с обычным математическим понятием множества. Допустимы стандартные операции с множествами и проверка на принадлежность элемента множеству. В некоторых языках рассматривается как составной тип.
• Составные (сложные).
  • Массив. Является индексированным набором элементов одного типа. Одномерный массив — вектор, двумерный массив — матрица.
    • Строковый тип. Хранит строку символов. Аналогом сложения в строковой алгебре является конкатенация (прибавление одной строки в конец другой строки). В языках, близких к бинарному представлению данных, чаще рассматривается как массив символов, в языках более высокой абстракции зачастую выделяется в качестве простого.
  • Запись (структура). Набор различных элементов (полей записи), хранимый как единое целое. Возможен доступ к отдельным полям записи. Например, struct в C или record в Pascal.
  • Файловый тип. Хранит только однотипные значения, доступ к которым осуществляется только последовательно (файл с произвольным доступом, включённый в некоторые системы программирования, фактически является неявным массивом).
  • Класс.
• Другие типы данных. Если описанные выше типы данных представляли какие-либо объекты реального мира, то рассматриваемые здесь типы данных представляют объекты компьютерного мира, то есть являются исключительно компьютерными терминами.
  • Указатель. Хранит адрес в памяти компьютера, указывающий на какую-либо информацию, как правило — указатель на переменную.
  • Ссылка.

Контроль типов и системы типизации

Процесс проверки и накладывания ограничений типов — контроля типов, может выполняться во время компилирования (статическая проверка) или во время выполнения (динамическая проверка).

• Статическая типизация — контроль типов осуществляется при компиляции.
• Динамическая типизация — контроль типов осуществляется во время выполнения.

Контроль типов также может быть строгим и слабым.

• Строгая типизация — совместимость типов автоматически контролируется транслятором:
  • Номинативная типизация (англ. nominative type system) — совместимость должна быть явно указана (наследована) при определении типа.
  • Структурная типизация (англ. structural type system) — совместимость определяется структурой самого типа (типами элементов, из которых построен составной тип).
• Слабая типизация — совместимость типов никак транслятором не контролируется. В языках со слабой типизацией обычно используется подход под названием «утиная типизация» — когда совместимость определяется и реализуется общим интерфейсом доступа к данным типа.

См. также

• Венгерская нотация
• Динамическая идентификация типа данных
• Отражение (программирование)
• Приведение типа
• Алгебраический тип данных
• Область определения
• Система отсчёта
• Утиная типизация

Примечания

1. ↑ Теория типов и типизация в .NET. Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 6 марта 2010.
2. ↑ Классификация типов данных
3. ↑ Тип данных в C#

Для улучшения этой статьи желательно?: Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии. Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.