Главная
Случайная страница
Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Лекция 5
2.5. Паспорт (дескриптор) массива. Массивы с изменяемыми размерами и/или размерностью
Массив в памяти хранится в виде вектора, т.е. все элементы размещаются в смежных участках памяти подряд, начиная с адреса, соответствующего началу массива. Элементы двухмерного массива размещаются либо по строкам, когда наиболее быстро меняется последний индекс (Паскаль, Си), либо по столбцам, когда наиболее быстро меняется первый индекс (Фортран).
Размерность массива — это количество индексов, необходимое для однозначной идентификации любого элемента массива. Массив, элемент которого — переменная с одним индексом, называется одномерным массивом, с двумя индексами — двумерным и т.д.
Вся информация, необходимая для управления массивом, и дается при его описании в программе. Описание содержит имя массива, тип элементов, диапазоны изменения индексов или число значений индексов, если нижние границы индексов фиксированы. Таким образом, общее количество элементов массива и размер памяти для массива полностью определяются описанием массива. Транслятор выделяет необходимую память и строит управляющий блок массива — дескриптор, или информационный вектор, например такого содержания (для одномерного массива):
- тип структуры;
- адрес начала массива;
- тип элемента (длина элемента массива);
- нижняя граница индекса;
- верхняя граница индекса.
В случае многомерного массива для каждого индекса задается нижняя и верхняя границы или же для каждой строки (каждого индекса) создается свой дескриптор.
Этой информации достаточно как для доступа к элементам массива, так и для контроля над тем, чтобы значения индексов не выходили за установленные диапазоны.
То, что размеры массива, формируемого транслятором, фиксированы, может явиться ограничивающим фактором применения готовой программы. Действительно, требуется, чтобы память для массива выделялась в размерах, необходимых для решении конкретной задачи, а каковы будут ее потребности, заранее может быть неизвестно. В таких ситуациях массив можно строить в динамической памяти, получаемой с помощью средств управления памятью операционной системы. Управление доступом к элементам таких массивов осуществляется самой программой по вычисляемым индексам (адресам) элементов с использованием указателя.
Существуют различные варианты использования динамической памяти.
2.6. Строки с объявленным максимальным размером. Списковое представление строк
Строка — это линейно упорядоченная последовательность символов, принадлежащих конечному множеству символов, называемому алфавитом.
Строки обладают следующими важными свойствами:
- их длина, как правило, переменна, хотя алфавит фиксирован;
- обычно обращение к символам строки идет с какого-нибудь одного конца последовательности, т.е важна упорядоченность этой последовательности, а не ее индексация; в связи с этим свойством строки часто называют также цепочками;
- чаще всего целью доступа к строке является не отдельный ее элемент (хотя это тоже не исключается), а некоторая цепочка символов в строке.
Обычно под строками подразумевают текстовые строки, то есть строки, состоящие из символов, входящих в алфавит какого-либо выбранного языка, цифр, знаков препинания и других служебных символов. Действительно, текстовая строка является наиболее универсальной формой представления любой информации. Однако, следует иметь в виду, что символы, входящие в строку могут принадлежать любому алфавиту. Например, битовые строки, составляются из 1-битовых символов, принадлежащих алфавиту: {0, 1}. Все строковые операции с равным успехом применимы как к символьным, так и к битовым строкам. В зависимости от особенности задачи, свойств применяемого алфавита и представляемого им языка и свойств носителей информации могут применяться различные способы кодирования символов. В современных вычислительных системах общепринятой является кодировка всего множества символов на разрядной сетке фиксированного размера (в 1 байт). Хотя строки являются полустатическими структурами данных, в тех или иных конкретных задачах изменчивость строк может варьироваться от полного ее отсутствия до практически неограниченных возможностей изменения. Ориентация на ту или иную степень изменчивости строк определяет и физическое представление их в памяти и особенности выполнения операций над ними. В большинстве языков программирования (Си, Паскаль и др.) строки представляются именно как полустатические структуры. В зависимости от ориентации языка программирования средства работы со строками занимают в языке более или менее значительное место. В Паскале длина строки может меняться от 0 до n. Основные операции над строками реализованы как простые операции или встроенные функции. Возможны также библиотеки, обеспечивающие расширенный набор строковых операций. Базовыми операциями над строками являются:
- определение длины строки;
- присваивание строк;
- конкатенация (сцепление) строк;
- выделение подстроки;
- поиск вхождения.
Операция определения длины строки имеет вид функции, возвращаемое значение которой (целое число) — это текущее число символов в строке. Операция присваивания имеет тот же смысл, что и для других типов данных.
Операция сравнения строк имеет тот же смысл, что и для других типов данных. Сравнение строк производится по следующим правилам. Сравниваются первые символы двух строк. Если символы не равны, то строка, содержащая символ, место которого в алфавите ближе к началу, считается меньшей. Если символы равны, сравниваются вторые, третьи и т.д. символы. При достижении одного конца одной из строк строка меньшей длины считается меньшей. При равенстве длин строк и попарном равенстве всех символов в них строки считаются равными. Результатом операции сцепления двух строк является строка, длина которой равна суммарной длине строк-операндов, а значение соответствует значению первого операнда, за которым непосредственно следует значение второго операнда. Операция сцепления дает результат, длина которого в общем случае больше длин операндов. Как и во всех операциях над строками, которые могут увеличивать длину строки (присваивание, сцепление, сложные операции), возможен случай, когда длина результата окажется большей, чем отведенный для него объем памяти. Естественно, эта проблема возникает только в тех языках, где длина строки ограничивается. Возможны три варианта решения этой проблемы, определяемые правилами языка или режимами компиляции:
- никак не контролировать такое превышение, возникновение такой ситуации неминуемо приводит к труднолокализуемой ошибке при выполнении программы;
- завершать программу аварийно с локализацией и диагностикой ошибки;
- ограничивать длину результата в соответствии с объемом отведенной памяти.
Операция выделения подстроки выделяет из исходной строки последовательность символов, начиная с заданной позиции n, с заданной длиной l. При реализации операции выделения подстроки в языке программирования и в пользовательской процедуре обязательно должно быть определено правило получения результата для случая, когда начальная позиция n задана такой, что оставшаяся за ней часть исходной строки имеет длину, меньшую заданной длины l, или даже n превышает длину исходной строки. Возможные варианты такого правила:
- аварийное завершение программы с диагностикой ошибки;
- формирование результата меньшей длины, чем задано, возможно, даже пустой строки.
Операция поиска вхождения находит место первого вхождения подстроки-эталона в исходную строку. Результатом операции может быть номер позиции в исходной строке, с которой начинается вхождение эталона или указатель на начало вхождения. В случае отсутствия вхождения результатом операции должно быть некоторое специальное значение, например, нулевой номер позиции или пустой указатель. На основе базовых операций могут быть реализованы и любые другие, даже сложные операции над строками. Например, операция удаления из строки символов с номерами от n1 включительно n2 может быть реализована как последовательность следующих шагов:
- выделение из исходной строки подстроки, начиная с позиции 1, длиной n1 - 1;
- выделение из исходной строки подстроки, начиная с позиции n2 + 1, длиной, равной длине исходной строки минус n2;
- сцепление подстрок, полученных на предыдущих шагах.
В целях повышения эффективности некоторые вторичные операции также могут быть реализованы как базовые по собственным алгоритмам, с непосредственным доступом к физической структуре строки. Представление строк в памяти зависит от того, насколько изменчивыми являются строки в каждой конкретной задаче, и средства такого представления варьируются от абсолютно статического до динамического. Универсальные языки программирования в основном обеспечивают работу со строками переменной длины, но максимальная длина строки должна быть указана при ее создании. Если программиста не устраивают возможности или эффективность тех средств работы со строками, которые предоставляет ему язык программирования, то он может либо определить свой тип данных "строка" и использовать для его представления средства динамической работы с памятью, либо сменить язык программирования на специально ориентированный на обработку текста, в которых представление строк базируется на динамическом управлении памятью. Представление строк в виде векторов, принятое в большинстве универсальных языков программирования, позволяет работать со строками, размещенными в статической памяти. Кроме того, векторное представление позволяет легко обращаться к отдельным символам строки, как к элементам вектора, по индексу. Самым простым способом является представление строки в виде вектора постоянной длины. При этом в памяти отводится фиксированное количество байт, в которые записываются символы строки. Если строка меньше отводимого под нее вектора, то лишние места заполняются пробелами, а если строка выходит за пределы вектора, то лишние (обычно справа строки) символы должны быть отброшены. Этот и все последующие за ним методы учитывают переменную длину строк. Признак конца строки — это особый символ, принадлежащий алфавиту (таким образом, полезный алфавит оказывается меньше на один символ), и занимает то же количество разрядов, что и все остальные символы. Издержки памяти при этом способе составляют 1 символ на строку. Счетчик символов — это целое число, и для него отводится достаточное количество битов, чтобы их с избытком хватало для представления длины самой длинной строки,какую только можно представить в данной машине. Обычно для счетчика отводят от 8 до 16 битов. Тогда при таком представлении издержки памяти в расчете на одну строку составляют 1-2 символа. При использовании счетчика символов возможен произвольный доступ к символам в пределах строки, поскольку можно легко проверить, что обращение не выходит за пределы строки. Счетчик размещается в таком месте, где он может быть легко доступен — начале строки или в дескрипторе строки. Максимально возможная длина строки, таким образом, ограничена разрядностью счетчика. В Паскале, например, строка представляется в виде массива символов, индексация в котором начинается с 0, а однобайтный счетчик числа символов в строке является нулевым элементом этого массива. И счетчик символов, и признак конца могут быть доступны для программиста как элементы вектора. В двух предыдущих вариантах обеспечивалось максимально эффективное расходование памяти (1-2 "лишних" символа на строку), но изменчивость строки обеспечивалась крайне неэффективно. Поскольку вектор — статическая структура, каждое изменение длины строки требует создания нового вектора, пересылки в него неизменяемой части строки и уничтожения старого вектора. Это сводит на нет все преимущества работы со статической памятью. Поэтому наиболее популярным способом представления строк в памяти являются векторы с управляемой длиной. Память под вектор с управляемой длиной отводится при создании строки. Ее размер и размещение остаются неизменными все время существования строки. В дескрипторе такого вектора-строки может отсутствовать начальный индекс, так как он может быть зафиксирован раз и навсегда установленными соглашениями, но появляется поле текущей длины строки. Размер строки, таким образом, может изменяться от 0 до значения максимального индекса вектора. "Лишняя" часть отводимой памяти может быть заполнена любыми кодами — она не принимается во внимание при оперировании со строкой. Поле конечного индекса может быть использовано для контроля превышения длиной строки объема отведенной памяти. Хотя такое представление строк не обеспечивает экономии памяти, проектировщики систем программирования, возможно, считают это приемлемой платой за возможность работать с изменчивыми строками в статической памяти.
Списковое представление строк в памяти обеспечивает гибкость в выполнении разнообразных операций над строками (в частности, операций включения и исключения отдельных символов и целых цепочек) и использование системных средств управления памятью при выделении необходимого объема памяти для строки. Однако, при этом возникают дополнительные расходы памяти. Другим недостатком спискового представления строки является то, что логически соседние элементы строки не являются физически соседними в памяти. Это усложняет доступ к группам элементов строки по сравнению с доступом в векторном представлении строки.
В однонаправленном линейном списке каждый символ строки представляется в виде элемента связного списка; элемент содержит код символа и указатель на следующий элемент. Одностороннее сцепление представляет доступ только в одном направлении вдоль строки. На каждый символ строки необходим один указатель, который обычно занимает 2-4 байта.
В двунаправленном линейном списке в каждый элемент списка добавляется также указатель на предыдущий элемент. Двустороннее сцепление допускает двустороннее движение вдоль списка, что может значительно повысить эффективность выполнения некоторых строковых операция. При этом на каждый символ строки необходимо два указателя, т.е. 4-8 байт.
Блочно-связное представление строк позволяет в большинстве операций избежать затрат, связанных с управлением динамической памятью, но в то же время обеспечивает достаточно эффективное использование памяти при работе со строками переменной длины.
Многосимвольные группы (звенья) организуются в список, так что каждый элемент списка, кроме последнего, содержит группу элементов строки и указатель следующего элемента списка. Поле указателя последнего элемента списка хранит признак конца — пустой указатель. В процессе обработки строки из любой ее позиции могут быть исключены или в любом месте вставлены элементы, в результате чего звенья могут содержать меньшее число элементов, чем было первоначально. По этой причине необходим специальный символ, который означал бы отсутствие элемента в соответствующей позиции строки. Представление строки многосимвольными звеньями постоянной длины обеспечивает более эффективное использование памяти, чем символьно-связное. Операции вставки/удаления в ряде случаев могут сводиться к вставке/удалению целых блоков. Однако, при удалении одиночных символов в блоках могут накапливаться пустые символы emp, что может привести даже к худшему использованию памяти, чем в символьно-связном представлении. В многосимвольных звеньях переменной длины переменная длина блока дает возможность избавиться от пустых символов и тем самым экономить память для строки. Однако появляется потребность в специальном символе — признаке указателя. С увеличением длины групп символом, хранящихся в блоках, эффективность использования памяти повышается. Однако негативной характеристикой рассматриваемого метода является усложнение операций по резервированию памяти для элементов списка и возврату освободившихся элементов в общий список доступной памяти. Такой метод спискового представления строк особенно удобен в задачах редактирования текста, когда большая часть операций приходится на изменение, вставку и удаление целых слов. Поэтому в этих задачах целесообразно список организовать так, чтобы каждый его элемент содержал одно слово текста. Символы пробела между словами в памяти могут не представляться. Рассмотрим многосимвольные звенья с управляемой длиной. Память выделяется блоками фиксированной длины. В каждом блоке помимо символов строки и указателя на следующий блок содержится номера первого и последнего символов в блоке. При обработке строки в каждом блоке обрабатываются только символы, расположенные между этими номерами. Признак пустого символа не используется: при удалении символа из строки оставшиеся в блоке символы уплотняются и корректируются граничные номера. Вставка символа может быть выполнена за счет имеющегося в блоке свободного места, а при отсутствии такового — выделением нового блока. Хотя операции вставки/удаления требуют пересылки символов, диапазон пересылок ограничивается одним блоком. При каждой операции изменения может быть проанализирована заполненность соседних блоков и два полупустых соседних блока могут быть переформированы в один блок. Для определения конца строки может использоваться как пустой указатель в последнем блоке, так и указатель на последний блок в дескрипторе строки. Последнее может быть весьма полезным при выполнении некоторых операций, например, сцепления. В дескрипторе может храниться также и длина строки: считывать ее из дескриптора удобнее, чем подсчитывать ее перебором всех блоков строки.
|
|
