Пратт Т. Языки программирования. Разработка и реализация

Подождите немного. Документ загружается.

567

П.1.1. Объекты данных

Основные типы данных, описанные в этом разделе, лишь слегка расширяют типы

данных, доступные в языке Pascal. Однако средства Ada, позволяющие програм

мисту определять новые типы, значительно мощнее, чем аналогичные в языке

Pascal, а наличие пакетов позволяет инкапсулировать определения типов для по

лучения истинных абстракций данных.

Элементарные типы данных

Такие типы, как öåëûé (integer), âåùåñòâåííûé (real) (в языке Ada называемый float),

ñèìâîëüíûé (character), áóëåâ (Boolean) и ñòðîêîâûé (string) являются предопределен

ными типами, определенными в пакете Standard, который автоматически известен

внутри любой программы на языке Ada. Фактически эти типы определены при

помощи набора более примитивных конструкторов типов. Примерами таких кон

структоров могут служить перечисления, массивы и записи. Например, типы Boolean

и character определяются как перечисления, а строковый тип string определяется

как вектор, состоящий из символов. Поскольку механизм определения типов ис

пользуется как для элементарных, так и для определенных пользователем типов,

многие примеры этого раздела могут включать определения типов.

Переменные и константы. Любой объект данных может быть определен либо

как переменная, либо как константа. Любое объявление, начинающееся с ключе

вого слова constant, является объявлением константы. В нем должно быть задано

значение константы, которое не может меняться в процессе выполнения програм

мы. Если слово constant опущено, тогда это же объявление определяет объект дан

ных как переменную. В этом случае можно задать начальное значение, а затем из

менять его обычным присваиванием. Например, константу MaxSize и переменную

CurrentSize можно объвить следующим образом:

MaxSize: constant integer := 500;

CurrentSize: integer := 0;

Константы языка Ada могут быть как объектами элементарного типа, так и мас

сивами или записями:

WeekDays: constant array(1..5) of string(1..3) :=

("MON", "TUE", "WED", "THU", "FRI")

В языке Ada существует множество предопределенных атрибутов, которые обо

значают важные связи или свойства объектов данных, типов данных, подпрограмм

или аппаратной части компьютера. Для получения значения атрибута следует ука

зать его имя (предварив его префиксом «'») сразу же после имени объекта. Например,

одним из атрибутов любого векторного типа данных, Vect, является нижняя граница

диапазона изменения его индекса, обозначаемая как Vect'First. Верхняя граница

обозначается Vect'Last. Используя этот атрибут, можно написать программу так, что

она будет независима от конкретного определения типа Vect. Таким образом, если

изменяется определение Vect, операторы, использующие Vect'First и Vect'Last, мож

но не изменять. Предопределенные атрибуты существуют для большинства основных

типов данных, описанных ниже; другие атрибуты обсуждаются в следующих разделах.

Числовые типы данных. Основными числовыми типами данных являются це

лые числа, вещественные числа с плавающей точкой и вещественные числа с фик

П.1. Ada

568 Приложение. Обзоры языков

сированной точкой. Объявления объектов этих типов похожи на объявления

в Pascal, где используются атрибуты range (для целых чисел) и digits (для веще

ственных чисел), которые определяют диапазон значений для объектов:

type DayOfYear is range 1..366; Целые значения от 1 до 366

MyBirthday: DayOfYear := 219; MyBirthday соответствует дате 7 августа

type Result is digits 7; Вещественный тип из 7 цифр

Answer: Result; Вещественная переменная из 7 цифр

Программа может получить доступ к аппаратному представлению веществен

ного числа с фиксированной точкой, если таковое существует. Для определения

типа с фиксированной точкой в программе следует объявить необходимую макси

мальную разность между двумя соседними значениями объектов этого типа, назы

ваемую дельтазначение. Например, для определения десятичных чисел с фикси

рованной точкой с двумя знаками после десятичной точки дельтазначение следует

задать как .01:

type SmallAmount is delta 0.01 range –100.0..100.0;

Для чисел с фиксированной точкой предусмотрены обычные арифметические

операции. Если в аппаратной части непосредственно не предусмотрено соответ

ствующее представление с фиксированной точкой, в реализации языка может ис

пользоваться моделируемое программными средствами представление числа с пла

вающей точкой, если обеспечена определенная точность представления числа (то

есть числа должны быть представлены с точностью не меньшей, чем дельтазначе

ние).

Перечисления. В языке Ada перечисления можно определять подобно тому,

как они определяются и реализуются в Pascal. Например, определение

type class is (Fresh, Soph, Junior, Senior);

задает перечисляемый тип, который затем можно использовать при объявлении

переменных. В отличие от языка Pascal перечисляемый тип не может быть задан

непосредственно при объявлении переменной, а должен быть определен как от

дельное описание типа. Для представления элементов перечисления во время вы

полнения программы используется номер позиции для каждого литерального зна

чения: 0 для первого из перечисленных значений, 1 — для второго и т. д. Для

перечисляемых значений предусмотрены основные операции сравнения (напри

мер, ðàâåíñòâî, ìåíüøå ÷åì и т. д.), а также функции определения последующего

и предыдущего элементов и операция присваивания.

Одно и то же литеральное имя может использоваться в нескольких перечисле

ниях (в отличие от языка Pascal, где все перечисляемые литеры должны быть раз

личными). Говорят, что такое литеральное имя является перегруженным. Напри

мер, если задано предыдущее определение class, то определение

type BreadStatus is (Stale, Fresh);

перегружает литеральное имя Fresh. В некоторых случаях компилятор может раз

решить перегрузку непосредственно (например, при присваивании B := Fresh, где

B — объект типа class). Для явного определения того, какое из значений Fresh име

ется в виду в данном месте программы, где видны оба типа (class и BreadStatus),

программист может указать вместе с литеральным именем имя базового типа (на

пример, class(Fresh) или BreadStatus(Fresh)).

569

Символьный и булев типы. Эти типы определены в пакете Standard как специ

альные перечисления.

Указатели. Тип óêàçàòåëü, называемый ссылочным типом (access), вместе с эле

ментарной функцией new создает новый объект данных (выделяя для него память

в куче) и возвращает указатель на него, который затем может быть присвоен пере

менной ссылочного типа. Переменную нельзя непосредственно объявить как пе

ременную ссылочного типа, а следует использовать следующее описание типа

type access_typename is access èìÿ_òèïà;

После этого переменные можно объявлять с помощью определенного таким об

разом ссылочного типа. Переменные ссылочного типа, следовательно, могут ука

зывать на объекты данных только одного типа. Все переменные ссылочного типа

имеют по умолчанию в качестве начального значения указатель на несуществую

щий объект, NULL, если только при их объявлении им явно не присваивается указа

тель на какойлибо объект.

Для размещения всех объектов данных конкретного ссылочного типа можно

зарезервировать область памяти, используя следующий оператор:

for èìÿ_ññûëî÷íîãî_òèïà use âûðàæåíèå

Здесь âûðàæåíèå задает необходимый для резервирования размер области памя

ти. Любое последующее использование оператора new для этого ссылочного типа

выделяет память внутри отведенной области памяти.

Структурированные типы данных

Векторы и массивы. Объект данных ìàññèâ может быть любой размерности и иметь

произвольные диапазоны изменения индексов и компоненты любого типа. Напри

мер, следующее объявление:

Table: array (1..10,1..20) of float;

создает матрицу вещественных чисел размером 10 × 20. Для выбора компонентов

используется операция индексации (например, Table(2, 3)).

Для объявления классов массивов можно использовать описание типов. В язы

ке Ada устранен недостаток языка Pascal — границы массива не включаются в обо

значение типа. При определении массива как типа в языке Ada можно не задавать

конкретный диапазон индексов для одной или нескольких размерностей. Конк

ретная размерность задается при объявлении объекта данных, принадлежащего

к этому типу. Например, определение типа массив может быть следующим:

type Matrix is

array (integer range <>, integer range <>) of float;

где угловые скобки <> обозначают диапазон изменения индексов, который необхо

димо задать при объявлении переменной типа Matrix. Последующее объявление пе

ременной задает конкретный диапазон индексов для объекта типа Matrix, например:

Table: Matrix(1..10,1..20);

Диапазон индексов не обязательно должен быть подмножеством целых чисел,

он может быть объектом любого перечисляемого типа. Границы диапазонов изме

нения индексов также могут задаваться выражениями, которые содержат вычи

сленные результаты, например:

NewList: array (1..N) of ListItem;

П.1. Ada

570 Приложение. Обзоры языков

где N — переменная с вычисленным значением. Каждый раз при входе в подпро

грамму, содержащую данное объявление, в зависимости от значения переменной N

в момент входа заново задается длина вектора NewList.

Индексацию можно использовать для выбора не только единичного элемен

та массива, но и сечения массива — непрерывной последовательности ком

понентов исходного вектора. Например, ссылка NewList(2..4) возвращает трех

компонентное сечение, содержащее компоненты вектора NewList со второго по

четвертый.

Инициализация. При объявлении массива его компонентам можно присваи

вать начальные значения:

PowerOfTwo: array (1..6) of integer := (2,4,8,16,32,64);

Символьные строки. Символьные строки трактуются как предопределенный

векторный тип, в определении которого используются два других предопределен

ных типа — positive (положительные целые) и character (перечисление символов,

определенное в пакете Standard):

type string is array (positive range <>) of character;

Таким образом, конкретный строковый объект можно объявить, задав макси

мальную длину (диапазон изменения индекса) строки:

MyString: string(1..30);

Файловый тип данных. Файлы и операции вводавывода в языке Ada опреде

лены как абстрактные типы данных, использующие некоторые стандартные паке

ты. Кроме этих пакетов реализация, как правило, должна поддерживать дополни

тельные пакеты вводавывода, построенные с использованием основных типов

данных и операций, определенных в стандартных пакетах (например, пакет гра

фического вывода на экран).

Определяемые пользователем типы

В языке Ada объекты данных çàïèñè похожи на записи языка Pascal. Запись мо

жет иметь любое число компонентов произвольного типа. Если запись имеет

несколько вариантов, вариантные компоненты должны располагаться в конце.

Однако в отличие от языка Pascal запись с вариантами всегда должна иметь

поле признака, называемое дискриминантом (тем самым устраняется еще один

дефект языка Pascal), которое во время выполнения программы указывает, ка

кой из вариантов записи используется в настоящее время. Попытки ссылки на

компонент, который не содержится в текущем варианте записи, отслеживают

ся во время выполнения программы и воспринимаются как исключительные

ситуации.

В отличие от языка Pascal в языке Ada для определения записи нужно, вопер

вых, задать описание типа для определения структуры записи и затем объявить

переменную, использующую имя этого типа. Аналогично если компонент записи

сам является записью, то эта запись должна быть определена с помощью отдель

ного определения типа, причем определение второй записи не может быть вложе

но внутрь определения большей записи.

Для любого компонента записи можно задать начальное значение по умолча

нию:

571

type Birthday is

record

Month: string(1..3) := "Jan";

Day: integer range 1..31 := 17;

Year : integer range 1950..2050 := 1969;

end record;

Каждый объект данных типа Birthday имеет начальное значение ("Jan", 17,

1969

), если только в объявлении не присваивается другое начальное значение. Если

объявить переменную MyDay следующим образом:

MyDay : Birthday;

то MyDay будет иметь начальные значения по умолчанию для своих компонентов.

Однако если переменную YourDay объявить как

YourDay : Birthday := ("MAR", 13, 1968);

или

YourDay : Birthday := (Month => "MAR", Day => 13, Year => 1968);

то вместо начальных значений, присваиваемых по умолчанию, используются ука

занные значения.

Для определения похожих объектов данных объявления пользовательских ти

пов могут содержать параметры, называемые дискриминантами. Например, для

определения типа записи, которая содержит информацию о каждом месяце, вклю

чающем вещественный вектор, имеющий свой элемент для каждого дня месяца,

можно использовать следующее определение:

type Month (Length : integer range 1..31) is

record

Name : string(1..3);

Days : array (1..Length) of float;

end record;

Затем можно объявить конкретные записи типа Month:

Jan : Month(31);

Feb : Month(28);

Для доступа к каждому компоненту вектора без знания явных границ каждого

месяца можно использовать атрибуты Days'First и Days'Last.

Второй способ использования одного определения типа çàïèñü для определе

ния похожих, но не одинаковых объектов этого типа заключается в использовании

структуры вариантной записи, похожей на такую же структуру языка Pascal. Поле

признака, используемое для указания нужного варианта, всегда перечисляется как

дискриминант в определении типа записи (в той же форме, что представлена выше).

Например, запись о служащем может быть представлена как

type WageType is (hourly, salaried);

type EmployeeRec (PayType : WageType) is

record

Name: string(1..30);

Age: integer range 15..100;

case PayType is

when Hourly =>

Hours: float;

HourlyRate: float;

when Salaried =>

П.1. Ada

572 Приложение. Обзоры языков

MonthlyRate: float;

end record;

Затем можно объявить конкретные объекты записи:

President: EmployeeRec(Salaried);

Chauffeur: EmployeeRec(Hourly);

где выбранный вариант не изменяется во время выполнения программы (напри

мер, тип оплаты за работу President никогда не изменится на Hourly).

Если необходимо изменить вариант записи во время выполнения программы,

следует осуществить присваивание переменной всей записи — никаким другим

способом не изменить значение дискриминанта. В результате такого присваива

ния в блок памяти, представляющий запись, записывается полный набор новых

значений, включая новое значение дискриминанта.

Подтипы. Любой определенный тип дает имя классу объектов, имеющих опре

деленные атрибуты. Подтип этого базового типа состоит из подмножества тех

объектов данных, которые удовлетворяют конкретным ограничениям. Ограниче

нием для базового типа integer может быть сужение множества целых чисел до

некоторого подмножества; ограничением на базовый тип array, в определении ко

торого не указан диапазон изменения индексов (<>), может быть конкретный диа

пазон изменения индексов. Ограничением на базовый тип, определенный как за

пись с дискриминантом, может быть конкретное значение дискриминанта (которое

может определять конкретный вариант записи).

Синтаксис определения подтипа следующий:

subtype èìÿ_ïîäòèïà is èìÿ_áàçîâîãî_òèïà îãðàíè÷åíèå;

как, например, в

subtype GraphScale is integer range –20..20;

subtype Executive is EmployeeRec(Salaried);

Подтип не определяет новый тип, он просто определяет подмножество объек

тов данных, принадлежащих базовому типу. В частности, для объектов подтипа

можно использовать те же операции, которые используются для объектов базово

го типа, а объекты разных подтипов одного общего базового типа можно смеши

вать в качестве операндов одного выражения.

Производные типы. Производный тип похож на подтип, но он является новым

типом, отличным от базового. Синтаксис определения производного типа следу

ющий:

type èìÿ_ïðîèçâîäíîãî_òèïà is new èìÿ_áàçîâîãî_òèïà;

где базовый тип можно определить с ограничениями (и, таким образом, в действи

тельности это будет подтип). Например, можно записать:

type Meters is new integer;

type Liters is new integer;

Производный тип позволяет использовать все те же операции, что и базо

вый тип (или подтип). Однако, поскольку производный тип отличается от ба

зового, операции не могут применяться к смеси операндов базового и произ

водного типов. Например (возвращаясь к приведенным ранее определениям

производных типов), поскольку операция + определена для базового типа

integer, следовательно, она определена и для производных типов Meters и Liters.

573

Однако если X, Y и Z — переменные типа integer, Meters и Liters соответственно,

то ни одну пару, составленную из этих переменных, нельзя между собой скла

дывать (то есть запись X + Z некорректна). Таким образом, используя произ

водные типы, программист защищается от случайного сложения двух перемен

ных, представляющих различные виды данных, хотя основное представление

данных может быть одинаковым (в данном примере все переменные представ

лены целыми числами).

Иерархия подтипов Ada

Все типы

элементарные

скалярные

дискретные

перечисления

символьные

булевы

другие перечисления

целые числа

целые со знаком

целые без знака

вещественные

с плавающей точкой

с фиксированной точкой

обычные

десятичные

ссылки

ссылки на объекты

ссылки на подпрограммы

составные

массив

строка

другие массивы

недискриминантные записи

дискриминантные записи

задачи

защищенные

Числовые типы и неограниченные типы в эту иерархию не входят.

П.1.2. Управление последовательностью

действий

Выполнение программ на языке Ada является операторноориентированным, и в этом

язык Ada похож на FORTRAN и Pascal.

Выражения

Для обычных бинарных арифметических и логических операций и операций от

ношения используется инфиксная запись. Префиксная запись используется для

унарных операций (+, – и not), а для вызовов функций используется обычное мате

П.1. Ada

574 Приложение. Обзоры языков

матическое префиксное представление èìÿ_ôóíêöèè(ñïèñîê_àðãóìåíòîâ). При отсут

ствии скобок приоритеты распределены в следующей последовательности (снача

ла перечислены операции с наивысшим приоритетом):

** (возведение в степень)

*/mod rem

+–abs not (унарный + и – )

+–&(бинарный + и – )

=/=<<=>>=in not in

and or xor and then or else

Операции с одинаковым приоритетом ассоциативны слева направо. Обратите

внимание на то, что в языке Ada присутствуют булевы операции, вычисляемые по

укороченной схеме, and then и or else, которые вычисляют только свой первый опе

ранд, если его значения достаточно для вычисления значения всего выражения.

Операции in и not in используются для проверки, принадлежит ли значение кон

кретному диапазону или удовлетворяет ли конкретным ограничениям.

Операторы

Операторные структуры, управляющие последовательностью действий, включа

ют в себя обычные условные операторы (if и case) и операторы цикла (loop). Пре

дусмотрено три формы оператора цикла, а оператор exit позволяет осуществить

прямой выход из цикла. Также предоставляется ограниченная форма оператора

goto. Все основные управляющие операторы заканчиваются ключевым словом end,

за которым следует ключевое слово, определяющее оператор (например, end if,

end loop), так что для объединения операторов в одну программную единицу ред

ко требуется специальная пара begin–end.

Присваивание. Оператор присваивания языка Ada похож на оператор присва

ивания языка Pascal. Также возможно присваивание полного набора значений пе

ременной типа çàïèñü, если использовать один из следующих способов:

MyDay := ("DEC",30,1964);

MyDay := (Year => 1964, Month => "DEC", Day => 30);

Оператор if. Оператор if имеет общую форму:

if áóëåâî_âûðàæåíèå then

— ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ

elsif áóëåâî_âûðàæåíèå then

— ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ

elsif áóëåâî_âûðàæåíèå then

...

else

— ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ

end if;

в которой любая из частей elsif или else может быть опущена.

Оператор case. Общая форма оператора case имеет следующий вид:

case âûðàæåíèå is

when âàðèàíò | ... | âàðèàíò => ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ;

...

when others => ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ;

end case;

575

Каждый âàðèàíò является либо одиночным значением, либо диапазоном значе

ний, которые может принимать âûðàæåíèå, записанное в заголовке оператора. Та

ким образом, âàðèàíò — это литеральное значение или подмножество целых чисел

(или значения другого перечисляемого типа), например:

case GradeLevel is

when Fresh => îïåðàòîðû;

when Soph | Junio => îïåðàòîðû;

when Senior => îïåðàòîðû;

end case;

Должно выполняться следующее требование: либо варианты выбора охваты

вают весь диапазон возможных значений выражения, либо имеется завершающая

конструкция when others для явного описания действий для всех не указанных зна

чений выражения. Таким образом, в процессе выполнения программы исключа

ется возможность возникновения ошибки, которая появляется, если для вычи

сленного значения выражения в операторе case не определено никаких действий.

Если же для некоторых значений выражения не должно производиться никаких

действий, соответствующая часть оператора case может содержать ключевое сло

во null.

Оператор цикла. Основной итерационный оператор имеет форму

loop

— ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàòîðîâ

end loop

Поскольку в заголовке оператора цикла не указаны условия его окончания, дан

ная форма цикла будет выполняться бесконечно, пока он не будет прерван либо

явным оператором exit, goto или return, либо по причине возникновения исклю

чительной ситуации.

Контролируемый итерационный процесс может быть организован с помощью

форм оператора цикла while или for. Оператор while имеет синтаксис

while áóëåâî_âûðàæåíèå

а оператор for бывает двух видов:

for èìÿ_ïåðåìåííîé in äèñêðåòíûé_äèàïàçîí

for èìÿ_ïåðåìåííîé in reverse äèñêðåòíûé_äèàïàçîí

где äèñêðåòíûé_äèàïàçîí может быть некоторым диапазоном перечисляемого или

целого типов (например, 1..10, или Fresh..Junior). Ключевое слово reverse означа

ет, что итерация начинается с конечного значения диапазона, присвоенного дан

ной переменной, и продолжает работать, пока не достигнет начального значения.

Примеры циклов for приведены в листинге П.1.

Важной особенностью цикла for является то, что имя переменной, записанное

в заголовке цикла, не объявляется как обычная локальная переменная (как в язы

ке Pascal). Вместо этого она неявно объявляется в момент ее появления в операторе

for и ее можно использовать только внутри этого цикла. Как только цикл заканчи

вает свою работу, такая переменная исчезает, и ее больше нельзя использовать.

Эта структура позволяет компилятору языка Ada осуществить несколько важных

оптимизаций цикла.

Оператор exit. Оператор exit имеет следующий вид:

exit when áóëåâî_âûðàæåíèå;

П.1. Ada

576 Приложение. Обзоры языков

или просто exit. При выполнении указанного в операторе exit булева условия уп

равление передается в конец самого внутреннего цикла, включающего этот опера

тор. Альтернативная возможность заключается в использовании меток для опера

торов циклов, в этом случае оператор exit должен содержать метку цикла, из

которого следует выйти, например:

exit OuterLoop when A(I,J) = 0;

Оператор goto. В языке Ada имеется оператор goto, но его использование стро

го ограничено. Вообще, оператор goto может передать управление только другому

оператору внутри той же подпрограммы либо тому же или внешнему уровню вло

женных операторов.

Ввод"вывод. В языке Ada не предусмотрены встроенные возможности ввода

вывода. Эти действия управляются перегруженными функциями из стандартных

пакетов. Например, пакет Text_IO содержит определения простых функций ввода

вывода текстовых значений, необходимых для написания простых программ на

языке Ada.

Функция get(arg) считывает числовой или строковый аргумент со стандартно

го устройства ввода (клавиатуры). Функция put(arg) записывает в стандартный

вывод. Функция put(arg, fw) записывает значение параметра arg в поле длиной fw

символов. Функция new_line записывает символ конца строки.

Преобразование между строковыми и числовыми данными также можно осу

ществить с помощью функций get и put. Функция get(in string, out number,

out last) присваивает переменной number числовое значение первых 1..last сим

волов строки string. Аналогично, функция put(out string, in number) присваивает

строке string значение переменной number.

Функции get и put можно также использовать для файлов данных. Файлы оп

ределяются как limited private в компоненте private пакета, объявленного как оп

ределение реализации. Функцию open(in out File_Type, in File_Mode, in File_Name)

можно использовать для открытия файла File_Name в одном из режимов (In_File,

Out_File, Append_File), определяемом вторым параметром, а функцию close(in out

File_Type) — для закрытия файла.

Указания компилятору. Оператор pragma используется для передачи инфор

мации компилятору. Этот оператор не рассматривается как часть языка. То есть

если из правильной программы удалить все такие указания, программа должна

попрежнему компилироваться и иметь ту же семантику, что и раньше. Однако

эти указания сообщают транслятору значимую информацию о том, как выполнять

компиляцию для конкретного приложения.

Обычно подобное указание записывается следующим образом:

pragma èìÿ_ïðàãìû (ïàðàìåòðû)

где èìÿ_ïðàãìû либо предопределено в языке, либо определено реализацией. Неко

торые указания управляют функциями компилятора, такими как генерирование

листинга программы (pragma LIST). Однако большинство указаний предназначено

для управления структурами времени выполнения конкретных подпрограмм. На

пример, pragma INLINE(ñïèñîê_ïîäïðîãðàìì) определяет, что вызовы перечисленных

подпрограмм везде, где возможно, должны быть заменены встроенными последо

вательностями кодов. Прагма pragma OPTIMIZE(TIME or SPACE) определяет, что под