Структура языка программирования
Содержание
Дополнительно
Классификация типов данных
Для простых типов данных определяются границы диапазона и количество байт, занимаемых ими в памяти компьютера.
В большинстве языков программирования, простые типы жестко связаны с их представлением в памяти компьютера. Компьютер хранит данные в виде последовательности битов, каждый из которых может иметь значение 0 и 1. Фрагмент данных в памяти может выглядеть следующим образом
Данные на битовом уровне (в памяти) не имеют ни структуры, ни смысла. Как интерпретировать данные, как целочисленное число, или вещественное, или символ, зависит от того, какой тип имеют данные, представленные в этой и последующих ячейках памяти.
Числовые типы данных
Целочисленные типы данных
Исходя из машинного представления целого числа, в ячейке памяти из n бит может хранится 2 n для беззнаковых, и 2 n-1 для знаковых типов.
Рассмотрим теперь конкретные целочисленные типы в трёх языках.
У некоторых типов есть приписка «16 разрядов» или «32 разряда». Это означает, что в зависимости от разрядности операционной системы и компилятора данный тип будет находится в соответствующем диапазоне. По-этому, рекомендуется не использовать int, unsigned int, а использовать их аналоги, но уже жестко определенные, short, long, unsigned short, unsigned long.
В Java нет беззнаковых целочисленных типов данных.
Вещественные типы данных
Числа вещественного типа данных задаются в форме чисел с плавающей запятой.
Плавающая запятая — форма представления действительных чисел, в которой число хранится в форме мантиссы и показателя степени. В случае языков программирования, любое число может быть представлено в следующем виде
Вывод: вещественные типы данных, в отличии от целочисленных, характеризуются диапазоном точности и количеством значащих разрядов.
Рассмотрим конкретные типы данных в наших трёх языках.
Тип decimal создан специально для операций высокой точности, в частности финансовых операций. Он не реализован как примитивный тип, по-этому его частое использование может повлиять на производительность вычислений.
Символьный тип данных
Значение переменной этого типа данных представляет собой один символ. В действительности, это есть целое число. В зависимости от кодировки, это число превращается в некий символ. Данные типы данных характеризуются лишь размером выделяемой под них памяти.
Логический тип данных
Перечислимый тип данных
Во внутреннем представлении, это целочисленный тип данных, только здесь пользователь вместо числе использует заранее определенные строковые значения.
Чтобы прочувствовать эту концепцию, приведем пример на языке С++ (в С# и Java аналогично)
Теперь переменные перечислимого типа Forms могут принимать лишь значения, определенные в примере кода. Это очень удобно, ведь мы уже оперируем не с числами, а с некими смысловыми значениями, замечу лишь, что для компьютера эти значения всё-равно являются целыми числами.
Массив
Каждый массив характеризуется типом данных его элементов, который может быть как простым, так и сложным, то есть любым.
В языках программирования нельзя оперировать всем массивом, работают с конкретным элементом. Чтобы доступиться до него в трёх рассматриваемых нами языках используют оператор «[]».
Структура
Структуры реализованы в языке программирования, чтобы собрать некие близки по смыслу вещи воедино.
Например, есть колесо автомобиля. У колеса есть диаметр, толщина, шина. Шина в свою очередь является структурой, у которой есть свои параметры: материал, марка, чем заполнена. Естественно, для каждого параметра можно создать свою переменную или константу, у нас появится большое количество переменных, которые, чтобы понять к чему они относятся, нужно в именах общую часть выделять. Имена будут нести лишнюю смысловую нагрузку. Получается запутанная история. А так мы определяем две структуры, а затем параметры в них.
Класс
Еще одним пользовательским типом данных является класс. Класс умеет всё, что и структура, но кроме параметров, у него есть и методы, и поддерживает большое количество вещей, связанных с объектно-ориентированным программированием.
Важнейшие структуры данных, которые вам следует знать к своему собеседованию по программированию
Никлаус Вирт, швейцарский ученый-информатик, в 1976 году написал книгу под названием «Алгоритмы + Структуры данных = Программы».
Через 40 с лишним лет это тождество остается в силе. Вот почему соискатели, желающие стать программистами, должны продемонстрировать, что знают структуры данных и умеют их применять.
Практически во всех задачах от кандидата требуется глубокое понимание структур данных. При этом не столь важно, выпускник ли вы (закончили университет или курсы программирования), либо у вас за плечами десятки лет опыта.
Иногда в вопросах на интервью прямо упоминается та или иная структура данных, например, «дано двоичное дерево». В других случаях задача формулируется более завуалированно, например, «нужно отследить, сколько у нас книг от каждого автора».
Изучение структур данных — незаменимое дело, даже если вы просто стараетесь профессионально совершенствоваться на нынешней работе. Начнем с основ.
Переведено в Alconost
Что такое структура данных?
Если коротко, структура данных — это контейнер, информация в котором скомпонована характерным образом. Благодаря такой «компоновке», структура данных будет эффективна в одних операциях и неэффективна — в других. Наша цель — разобраться в структурах данных таким образом, чтобы вы могли выбрать из них наиболее подходящую для решения конкретной стоящей перед вами задачи.
Зачем нужны структуры данных?
Поскольку структуры данных используются для хранения информации в упорядоченном виде, а данные — самый важный феномен в информатике, истинная ценность структур данных очевидна.
Не важно, какую именно задачу вы решаете, так или иначе вам придется иметь дело с данными, будь то зарплата сотрудника, биржевые котировки, список продуктов для похода в магазин или обычный телефонный справочник.
В зависимости от конкретного сценария, данные нужно хранить в подходящем формате. У нас в распоряжении — ряд структур данных, обеспечивающих нас такими различными форматами.
Наиболее распространенные структуры данных
Сначала давайте перечислим наиболее распространенные структуры данных, а затем разберем каждую по очереди:
Массивы
Массив — это простейшая и наиболее распространенная структура данных. Другие структуры данных, например, стеки и очереди, производны от массивов.
Здесь показан простой массив размером 4, содержащий элементы (1, 2, 3 и 4).
Каждому элементу данных присваивается положительное числовое значение, именуемое индексом и соответствующее положению этого элемента в массиве. В большинстве языков программирования элементы в массиве нумеруются с 0.
Существуют массивы двух типов:
Простейшие операции с массивами
Вопросы по массивам, часто задаваемые на собеседованиях
Стеки
Всем известна знаменитая опция «Отмена», предусмотренная почти во всех приложениях. Задумывались когда-нибудь, как она работает? Смысл такой: в программе сохраняются предшествующие состояния вашей работы (количество сохраняемых состояний ограничено), причем, они располагаются в памяти в таком порядке: последний сохраненный элемент идет первым. Одними массивами такую задачу не решить. Именно здесь нам пригодится стек.
Стек можно сравнить с высокой стопкой книг. Если вам нужна какая-то книга, лежащая около центра стопки, вам сначала придется снять все книги, лежащие выше. Именно так работает принцип LIFO (Последним пришел — первым вышел).
Так выглядит стек, содержащий три элемента данных (1, 2 и 3), где 3 находится сверху — поэтому будет убран первым:
Простейшие операции со стеком:
Вопросы о стеке, часто задаваемые на собеседованиях
Очереди
Очередь, как и стек — это линейная структура данных, элементы в которой хранятся в последовательном порядке. Единственное существенное отличие между стеком и очередью заключается в том, что в очереди вместо LIFO действует принцип FIFO (Первым пришел — первым вышел).
Идеальный реалистичный пример очереди — это и есть очередь покупателей в билетную кассу. Новый покупатель становится в самый хвост очереди, а не в начало. Тот же, кто стоит в очереди первым, первым приобретет билет и первым ее покинет.
Вот изображение очереди с четырьмя элементами данных (1, 2, 3 и 4), где 1 идет первым и первым же покинет очередь:
Простейшие операции с очередью
Вопросы об очередях, часто задаваемые на собеседованиях
Связный список
Связный список — еще одна важная линейная структура данных, на первый взгляд напоминающая массив. Однако, связный список отличается от массива по выделению памяти, внутренней структуре и по тому, как в нем выполняются базовые операции вставки и удаления.
Связный список напоминает цепочку узлов, в каждом из которых содержится информация: например, данные и указатель на следующий узел в цепочке. Есть головной указатель, соответствующий первому элементу в связном списке, и, если список пуст, то он направлен просто на null (ничто).
При помощи связных списков реализуются файловые системы, хеш-таблицы и списки смежности.
Вот так можно наглядно изобразить внутреннюю структуру связного списка:
Существуют такие типы связных списков:
Простейшие операции со связными списками:
Вопросы о связных списках, часто задаваемые на собеседованиях:
Графы
Граф — это множество узлов, соединенных друг с другом в виде сети. Узлы также называются вершинами. Пара (x,y) называется ребром, это означает, что вершина x соединена с вершиной y. Ребро может иметь вес/стоимость — показатель, характеризующий, насколько затратен переход от вершины x к вершине y.
Вопросы о графах, часто задаваемые на собеседованиях:
Деревья
Дерево — это иерархическая структура данных, состоящая из вершин (узлов) и ребер, которые их соединяют. Деревья подобны графам, однако, ключевое отличие дерева от графа таково: в дереве не бывает циклов.
Деревья широко используются в области искусственного интеллекта и в сложных алгоритмах, выступая в качестве эффективного хранилища информации при решении задач.
Вот схема простого дерева и базовая терминология, связанная с этой структурой данных:
Существуют деревья следующих типов:
Вопросы о деревьях, часто задаваемые на собеседованиях:
Найдите высоту двоичного дерева
Найдите k-ное максимальное значение в двоичном дереве поиска
Найдите узлы, расположенные на расстоянии “k” от корня
Найдите предков заданного узла в двоичном дереве
Бор, также именуемый «префиксное дерево» — это древовидная структура данных, которая особенно эффективна при решении задач на строки. Она обеспечивает быстрое извлечение данных и чаще всего применяется для поиска слов в словаре, автозавершений в поисковике и даже для IP-маршрутизации.
Вот как три слова «top» (верх), «thus» (следовательно), and «their» (их) хранятся в бору:
Слова располагаются в направлении сверху вниз, и зеленые узлы «p», «s» и «r» завершают, соответственно, слова «top», «thus» и «their».
Вопросы о борах, часто задаваемые на собеседованиях:
Хеш-таблица
Хеширование — это процесс, применяемый для уникальной идентификации объектов и сохранения каждого объекта по заранее вычисленному индексу, именуемому его «ключом». Таким образом, объект хранится в виде «ключ-значение», а коллекция таких объектов называется «словарь». Каждый объект можно искать по его ключу. Существуют разные структуры данных, построенные по принципу хеширования, но чаще всего из таких структур применяется хеш-таблица.
Как правило, хеш-таблицы реализуются при помощи массивов.
Производительность хеширующей структуры данных зависит от следующих трех факторов:
Вопросы о хешировании, часто задаваемые на собеседованиях:
Удачи и интересного обучения! 
Перевод статьи выполнен в Alconost.
Alconost занимается локализацией игр, приложений и сайтов на 68 языков. Переводчики-носители языка, лингвистическое тестирование, облачная платформа с API, непрерывная локализация, менеджеры проектов 24/7, любые форматы строковых ресурсов.
Мы также делаем рекламные и обучающие видеоролики — для сайтов, продающие, имиджевые, рекламные, обучающие, тизеры, эксплейнеры, трейлеры для Google Play и App Store.
Основные структуры данных. Матчасть. Азы
Все чаще замечаю, что современным самоучкам очень не хватает матчасти. Все знают языки, но мало основы, такие как типы данных или алгоритмы. Немного про типы данных.
Еще в далеком 1976 швейцарский ученый Никлаус Вирт написал книгу Алгоритмы + структуры данных = программы.
40+ лет спустя это уравнение все еще верно. И если вы самоучка и надолго в программировании пробегитесь по статье, можно по диагонали. Можно код кофе.
В статье так же будут вопросы, которое вы можете услышать на интервью.
Что такое структура данных?
Структура данных — это контейнер, который хранит данные в определенном макете. Этот «макет» позволяет структуре данных быть эффективной в некоторых операциях и неэффективной в других.
Какие бывают?
Линейные, элементы образуют последовательность или линейный список, обход узлов линеен. Примеры: Массивы. Связанный список, стеки и очереди.
Нелинейные, если обход узлов нелинейный, а данные не последовательны. Пример: граф и деревья.
Основные структуры данных.
Массивы
Массив — это самая простая и широко используемая структура данных. Другие структуры данных, такие как стеки и очереди, являются производными от массивов.
Изображение простого массива размера 4, содержащего элементы (1, 2, 3 и 4).
Каждому элементу данных присваивается положительное числовое значение (индекс), который соответствует позиции элемента в массиве. Большинство языков определяют начальный индекс массива как 0.
Бывают
Одномерные, как показано выше.
Многомерные, массивы внутри массивов.
Основные операции
Вопросы
Стеки
Стек — абстрактный тип данных, представляющий собой список элементов, организованных по принципу LIFO (англ. last in — first out, «последним пришёл — первым вышел»).
Это не массивы. Это очередь. Придумал Алан Тюринг.
Примером стека может быть куча книг, расположенных в вертикальном порядке. Для того, чтобы получить книгу, которая где-то посередине, вам нужно будет удалить все книги, размещенные на ней. Так работает метод LIFO (Last In First Out). Функция «Отменить» в приложениях работает по LIFO.
Изображение стека, в три элемента (1, 2 и 3), где 3 находится наверху и будет удален первым.
Основные операции
Вопросы
Очереди
Подобно стекам, очередь — хранит элемент последовательным образом. Существенное отличие от стека – использование FIFO (First in First Out) вместо LIFO.
Пример очереди – очередь людей. Последний занял последним и будешь, а первый первым ее и покинет.
Изображение очереди, в четыре элемента (1, 2, 3 и 4), где 1 находится наверху и будет удален первым
Основные операции
Вопросы
Связанный список
Связанный список – массив где каждый элемент является отдельным объектом и состоит из двух элементов – данных и ссылки на следующий узел.
Принципиальным преимуществом перед массивом является структурная гибкость: порядок элементов связного списка может не совпадать с порядком расположения элементов данных в памяти компьютера, а порядок обхода списка всегда явно задаётся его внутренними связями.
Бывают
Однонаправленный, каждый узел хранит адрес или ссылку на следующий узел в списке и последний узел имеет следующий адрес или ссылку как NULL.
Двунаправленный, две ссылки, связанные с каждым узлом, одним из опорных пунктов на следующий узел и один к предыдущему узлу.
Круговой, все узлы соединяются, образуя круг. В конце нет NULL. Циклический связанный список может быть одно-или двукратным циклическим связанным списком.
Самое частое, линейный однонаправленный список. Пример – файловая система.
Основные операции
Вопросы
Графы
Граф-это набор узлов (вершин), которые соединены друг с другом в виде сети ребрами (дугами).
Бывают
Ориентированный, ребра являются направленными, т.е. существует только одно доступное направление между двумя связными вершинами.
Неориентированные, к каждому из ребер можно осуществлять переход в обоих направлениях.
Смешанные
Встречаются в таких формах как
Общие алгоритмы обхода графа
Вопросы
Деревья
Дерево-это иерархическая структура данных, состоящая из узлов (вершин) и ребер (дуг). Деревья по сути связанные графы без циклов.
Древовидные структуры везде и всюду. Дерево скилов в играх знают все.
«Бинарное дерево — это иерархическая структура данных, в которой каждый узел имеет значение (оно же является в данном случае и ключом) и ссылки на левого и правого потомка. » — Procs
Три способа обхода дерева
Вопросы
Trie ( префиксное деревое )
Разновидность дерева для строк, быстрый поиск. Словари. Т9.
Вот как такое дерево хранит слова «top», «thus» и «their».
Слова хранятся сверху вниз, зеленые цветные узлы «p», «s» и «r» указывают на конец «top», «thus « и «their» соответственно.
Вопросы
Хэш таблицы
Хэширование — это процесс, используемый для уникальной идентификации объектов и хранения каждого объекта в заранее рассчитанном уникальном индексе (ключе).
Объект хранится в виде пары «ключ-значение», а коллекция таких элементов называется «словарем». Каждый объект можно найти с помощью этого ключа.
По сути это массив, в котором ключ представлен в виде хеш-функции.
Эффективность хеширования зависит от
Вопросы
Список ресурсов
Вместо заключения
Матчасть так же интересна, как и сами языки. Возможно, кто-то увидит знакомые ему базовые структуры и заинтересуется.
Спасибо, что прочли. Надеюсь не зря потратили время =)
PS: Прошу извинить, как оказалось, перевод статьи уже был тут и очень недавно, я проглядел.
Если интересно, вот она, спасибо Hokum, буду внимательнее.
Полезный блог
У каждой хорошей книги и интересного фильма есть точная структура. Она объединяет отдельные составляющие сюжета в одно целое. Это помогает нашему мозгу лучше воспринять и обработать информацию. То же самое происходит и в программировании, только мозг – это компьютер.
Структура данных – это способ объединения однотипных или логически связанных элементов. Отдельно взятая структура, в которую объединены какие-либо данные, даёт возможность эффективно и быстро ими управлять. А для доступа к этим данным нам понадобятся переменные.
Переменная
Представим, что память компьютера состоит из множества ячеек и каждая ячейка, куда мы сохраняем данные, имеет адрес. Этот адрес и фиксирует переменная. Она имеет название (имя переменной) и указывает, что именно хранится в памяти (значение переменной).
При обращении к ней, мы можем считывать и перезаписывать хранимую информацию. Это происходит так:
1. Создаём переменную.
2. Присваиваем ей значение – указываем данные, которые необходимо сохранить в памяти компьютера.
3. Когда нам нужно использовать или указать эти данные, мы пишем не их, а имя переменной, которой они присвоены.
Правила создания имени переменной в JS
— Можно использовать любые буквы и цифры, символ подчеркивания «_».
— Нельзя начинать имя с цифры.
— Нельзя использовать знаки «-», «/», «#», «@».
— Нельзя использовать пробелы и табуляции.
— Заглавная буква имеет значение. Dogs и dogs – это разные переменные.
— Нельзя назвать переменную именем стандартной команды, которая есть в языке программирования. Например, нельзя создавать переменную с именем «typeof» в JS.
Переменные в JavaScript
Для объявления переменных в языке JavaScript используется слово let либо const.
Сonst – константа – используется для объявления переменных с теми значениями, которые должны оставаться неизменными на протяжении всей программы. Например, для объявления математических или физических постоянных. В остальных случаях используется слово let.
Справка! Для переменных предпочтительно применять глагол «объявить», а не «создать».
Объявим переменную с именем name:
Чтобы добавить значение используется специальный оператор присваивания – знак равенства «=»:
В консоли увидим результат:
Имя name – это адрес ячеек, где хранится значение ‘Milhouse’. По имени переменной мы обращаемся к этим данным в разных частях программы. Простая переменная может иметь любой тип данных (число, строка, логическое значение).
Подробнее о типах данных мы рассказывали в Уроке 2.
Пример
Один из примеров использования переменных – это ввод и сохранение информации, которые вы производите каждый день.
Берём стандартную команду prompt() в JavaScript. Она выводит на экран диалоговое окно, в которое просит ввести какую-то информацию и нажать ОК. После ввода строки и нажатия ОК результат присваивается переменной. Если позже к этой переменной обратиться, то её значением будет информация, введённая пользователем.
Например, выполним команду prompt(), попросим пользователя ввести своё имя и сохраним результат в переменную под именем questionName:
Введём имя «Сергей» и нажём ОК. Теперь попросим вывести в консоль значение переменной questionName:
Массив
Массив удобен, если одновременно необходимо хранить большое количество данных и иметь доступ к каждому элементу.
В массиве могут содержаться как простые, так и структурированные данные – переменные или другие массивы. Бывает и массив, состоящий из массивов. Он называется многомерный.
Справка! В JavaScript в массив разрешено добавлять элементы любого типа данных, так как это язык со слабой и динамической типизацией. Но во многих других языках (например, в С) в массив допускается включать значения только одного типа данных.
Каждому элементу массива присваивается индекс, благодаря которому получится напрямую обратиться к этому элементу.
Надеемся, вы помните из Урока 2, что индекс – это порядковый номер.
Во многих языках программирования, в том числе в JavaScript, элементы массива записываются в квадратных скобках через запятую. В зависимости от этого им присваивается индекс. Отсчёт ведётся с 0: первый элемент массива имеет индекс 0, следующий 1 и т. д.
Число индексов, которое придётся указать для того, чтобы «достать» значение какого-либо элемента, называется размерностью массива.
Пример на JavaScript
1. Создадим массив из двух элементов. Это происходит по аналогии с созданием переменных:
2. Теперь создадим массив, куда, помимо прочих элементов, включим и уже созданный массив:
3. Чтобы достать apple из массива, необходимо написать имя массива и порядковый индекс нужного элемента в квадратных скобках:
4. А чтобы через основной массив достать Cola из первого массива, необходимо после имени по порядку без запятой написать сначала индекс массива в массиве, а затем индекс элемента внутри этого массива:
Помимо массива встречаются и другие структуры данных: очереди, стеки, хэши, списки, таблицы и другие. Но на курсе «Основы программирования» мы их не рассматриваем.
Домашнее задание
Придумайте массив, состоящий из двух массивов и двух переменных, и напишите его на языке JavaScript.