Tipos de Dados. George Darmiton da Cunha Cavalcanti

Transcrição

1 Tipos de Dados George Darmiton da Cunha Cavalcanti

2 Tópicos Introdução Tipos de Dados Primitivos Tipos Cadeia de Caracteres Tipos Definidos pelo Usuário Tipos Matriz Matrizes Associativas Tipos Registro Tipos União Tipos Conjunto Tipos Ponteiro

3 Introdução Um tipo de dado define uma coleção de dados e um conjunto de operações pré-definidas sobre esses dados Um descritor é um conjunto de atributos de uma variável Um objeto representa uma instância de um tipo de dado abstrato definido pelo usuário Uma questão fundamental de projeto: Quais operações são fornecidas para variáveis do tipo e como elas são especificadas?

4 Tipos de Dados Primitivos Tipos de dados não-definidos em termos de outros tipos são chamados tipos de dados primitivos Praticamente todas as linguagens de programação oferecem um conjunto de tipos de dados primitivos Alguns tipos de dados primitivos são reflexos do hardware Por exemplo: os inteiros Outros exigem um pequeno suporte de software para sua implementação

5 Tipos de Dados Primitivos: Inteiro Quase sempre um reflexo do hardware Assim, seu mapeamento é trivial Muitos computadores suportam diferentes tamanhos para inteiros Em Java, diferentes tamanhos para inteiros byte, short, int, long

6 Tipos de Dados Primitivos: Ponto-flutuante Modelam os números reais, mas são aproximações Linguagens para fins científicos suportam pelo menos dois tipos pontoflutuante (float e double) IEEE Floating-Point Standard 754

7 Tipos de Dados Primitivos: Ponto-flutuante

8 Tipos de Dados Primitivos: Decimal Para aplicações comerciais (moeda) Essencial para COBOL C# oferece um tipo de dado decimal Armazena um número fixo de dígitos decimais Vantagem Precisão Desvantagens Faixa de valores restrita Desperdício de memória

9 Tipos de Dados Primitivos: Booleano Mais simples de todos Faixa de valores Dois elementos, um para true e um para false Pode ser implementado como bits, mas geralmente são como bytes Vantagem: legibilidade

10 Tipos de Dados Primitivos: Caractere Armazenados como codificações numéricas O código mais usado: ASCII Uma alternativa, codificação de 16-bit: Unicode Inclui caracteres da maioria das linguagens naturais Usado em Java C# e JavaScript também suportam Unicode

11 Tipos Cadeia de Caracteres Valores consistem em seqüências de caracteres Questões de projeto: É um tipo primitivo ou apenas um tipo especial de vetores de caracteres? As cadeias devem ter tamanho estático ou dinâmico?

12 As Cadeias e Suas Operações Operações típicas: Atribuição e cópia Comparação (=, >, etc.) Concatenação Referências a subcadeias Pattern matching

13 Cadeias nas Linguagens C e C++ Não primitivo Usam vetores char e uma biblioteca de funções que oferecem operações (string.h) SNOBOL4 (uma linguagem de manipulação de cadeias) Primitivo Muitas operações, incluindo pattern matching elaborados Java Primitivo através da classe String

14 Opções de Tamanho da Cadeia Estático COBOL, FORTRAN 90, Pascal, Ada e Java classe String Tamanho dinâmico limitado: C e C++ Um caractere especial é usado para indicar o final da cadeia, em vez de manter seu tamanho Dinâmico (sem máximo): SNOBOL4, Perl, JavaScript Ada suporta todas as opções acima

15 Tipos Cadeia de Caracteres: Avaliação São importantes para a capacidade de escrita de uma linguagem Como um tipo primitivo com tamanho estático, não é caro Por que não usá-las? Tamanho dinâmico é mais flexível Mas o custo compensa?

16 Implementação dos Tipos Cadeias de Caracteres Tamanho estático descritor em tempo de compilação Tamanho dinâmico limitado Podem exigir um descritor em tempo de execução para armazenar tanto o tamanho máximo como o tamanho atual (mas não em C e C++) Tamanho dinâmico Exigem um descritor em tempo de execução Exigem um gerenciamento de armazenagem mais complexo Alocação e desalocação

17 Implementação dos Tipos Cadeias de Caracteres

18 Implementação dos Tipos Cadeias de Caracteres

19 Tipos ordinais definidos pelo usuário Um tipo ordinário é aquele cuja faixa de valores possíveis pode ser associada ao conjunto dos números inteiros positivos Tipos Enumeração Tipos Subfaixa Exemplos de tipos ordinários em Java integer char boolean

20 Tipos Enumeração Todos os valores possíveis, os quais se tornam constantes simbólicas, são enumerados na definição Exemplo C# enum days {mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun};

21 Tipos Enumeração Questões de projeto Deve-se permitir que um literal constante apareça em mais de uma definição de tipo e, se assim for, como o tipo de uma ocorrência desse literal é verificado no programa? É possível fazer coerção de valores de enumeração para inteiros?

22 Tipos Enumeração: Avaliação Vantagens em termos de legibilidade Não é necessário codificar uma cor como um número Vantagens em termos de confiabilidade Operações (não permite adicionar cores) Nenhum variável de enumeração será assinalada para valores fora de sua faixa

23 Tipos Subfaixa É uma subsequência de um ordinal Exemplo: é uma subfaixa dos inteiros Projeto em Ada type Days is (mon, tue, wed, thu, fri, sat, sun); subtype Weekdays is Days range mon..fri; subtype Index is Integer range ; Day1: Days; Day2: Weekday; Day2 := Day1;

24 Tipos Subfaixa: Avaliação Legibilidade Informam ao leitor que as variáveis podem armazenar apenas uma faixa de valores Confiabilidade A atribuição de um valor a uma variável fora de sua faixa pode ser detectado pelo compilador como sendo um erro

25 Tipos Matriz Uma matriz é um agregado homogêneo de dados cujo elemento individual é identificado por sua posição no agregado em relação ao primeiro.

26 Questões de Projeto Quais tipos são legais para os subscritos? As expressões de subscrito nas referências a elementos são verificados quanto à faixa? Quando as faixas de subscrito são vinculadas? Quando a alocação da matriz se desenvolve? Quantos subscritos são permitidos? Matrizes podem ser inicializadas quando têm seu armazenamento alocado? Quais tipos de fatias são permitidos, se for o caso?

27 Matrizes e Índices Índices (ou subscritos) fazem mapeamento para elementos array_name(index_value_list) element Sintaxe do Índice FORTRAN, PL/I e Ada usam parênteses Ada usa parênteses para mostrar uma uniformidade entre matrizes e chamadas de funções, pois ambos são mapeamentos Outras linguagens usam colchetes

28 Tipos dos Índices FORTRAN, C: apenas inteiros Pascal: qualquer tipo ordinário inteiro, Boolean, Char, enumeração Ada: inteiro ou enumeração (incluindo Boolean e Char) Java: apenas inteiros C, C++, Perl e Fortran não especificam faixa para checagem Java, ML e C# especificam a checagem da faixa

29 Vinculações de Subscritos e Categorias de Matrizes Matriz Estática As faixas de subscrito estão estaticamente vinculadas e a alocação de armazenamento é estática (feita antes da execução) Vantagem: eficiência (em alocação dinâmica) Matriz Fixa Dinâmica na Pilha Faixas de subscrito estão estaticamente vinculadas, mas a alocação é feita no momento da declaração durante a execução Vantagem: eficiência de espaço

30 Vinculações de Subscritos e Categorias de Matrizes Matriz Dinâmica na Pilha Faixas de subscritos estão dinamicamente vinculadas e a alocação de armazenamento é dinâmica (feita durante a execução) Vantagem: flexibilidade (o tamanho de uma matriz não precisa ser conhecido antes da sua utilização) Matriz Dinâmica no Monte A vinculação das faixas dos índices e a alocação são dinâmicas e podem mudar várias vezes Vantagem: flexibilidade (matrizes podem crescer ou encolher durante a execução do programa)

31 Vinculações de Subscritos e Categorias de Matrizes Matrizes C e C++ que incluem static são estáticas Matrizes C e C++ sem static são fixas dinâmicas na pilha Matrizes Ada podem ser dinâmicas na pilha C e C++ também oferecem matrizes dinâmicas (malloc e free) Perl e JavaScript suportam matrizes dinâmicas

32 Inicialização de Matrizes Algumas linguagens permitem a inicialização no momento em que o armazenamento é alocado Exemplos: C, C++, Java e C# int list [] = {4, 5, 7, 83} Cadeias de caracteres em C e C++ char name [] = freddie ; Matrizes de strings em C e C++ char *names [] = { Bob, Jake, Joe ]; Java inicialização de objetos String String[] names = { Bob, Jake, Joe };

33 Operações com Matrizes APL permite poderosas operações para matrizes, como também operadores unários Exemplo: inverte os elementos das colunas Ada permite atribuição e concatenação de matrizes FORTRAN oferece operações elementares pois são operações entre pares de elementos de matriz Exemplo: operador + entre duas matrizes resulta em uma matriz que é a soma dos pares de elementos das duas matrizes

34 Fatias Uma fatia (slice) de uma matriz é alguma subestrutura desta Fatias são úteis em linguagens que possuem operadores sobre matrizes

35 Fatias: Exemplos Fortran 95 Integer, Dimension (10) :: Vector Integer, Dimension (3,3) :: Mat Integer, Dimension (3,3,3) :: Cube Vector (3:6) é um vetor de 4 elementos

36 Fatias: Exemplos

37 Acessando Matrizes (multidimensionais) Duas maneiras comumente usadas Ordem da linha maior (por linhas) Usado na maioria das linguagens Ordem da coluna maior (por colunas) Usando em Fortran

38 Acessando Matrizes (multidimensionais) Exemplo de matriz Ordem da linha maior (por linhas) 3,4,7,6,2,5,1,3,8 Ordem da coluna maior 3,6,1,4,2,3,7,5,8

39 Localizando um elemento em uma matriz multidimensional Formato geral location (a[i,j]) = address of a[row_lb,col_lb] + (((I - row_lb)*n) + (j - col_lb)) * element_size

40 Matrizes Associativas Uma matriz associativa é um conjunto nãoordenado de elementos indexados por um número igual de valores chamados chaves Chaves definidas pelos usuários devem ser armazenadas Questões de projeto Qual é a forma de referência dos elementos? O tamanho de uma matriz associativa é estático ou dinâmico?

41 Matrizes associativas em Perl Nomes começam com %; literais são delimitados por parênteses %hi_temps = ("Mon"=>77, "Tue"=>79, Wed =>65, ); Os nomes de variáveis escalares iniciamse com $ $hi_temps{"wed"} = 83; Elementos podem ser removidos delete $hi_temps{"tue"};

42 Tipos Registro Um registro é um agregado possivelmente homogêneo de elementos de dados Cada elemento individual é identificado por seu nome Questões de projeto Qual é a forma sintática das referências a campos? São permitidas referências elípticas?

43 Definições de Registros COBOL usa números para aninhar registros; outras linguagens usam definições recursivas 01 EMP-REGISTER. 02 EMP-NAME. 05 FIRST PIC X(20). 05 MID PIC X(10). 05 LAST PIC X(20). 02 HOURLY-RATE PIC 99V99.

44 Definição de Registros em Ada type Emp_Rec_Type is record First: String (1..20); Mid: String (1..10); Last: String (1..20); Hourly_Rate: Float; end record; Emp_Rec: Emp_Rec_Type;

45 Referências a Campos do Registro A maioria das linguagens usam um ponto na notação Emp_Rec.Name Referências elípticas (exemplo em Pascal) empregado.nome := Bob ; empregado.idade := 42; empregado.salario := ; with empregado do begin nome := Bob ; idade := 42; salario := ; end;

46 Avaliação e comparação com matrizes O projeto de registros é direto e, seu uso, seguro Registros são usados quando os dados formam uma coleção heterogênea Acesso aos elementos das matrizes são mais lentos do que para registros, pois os índices são dinâmicos (nomes de campos são estáticos) Índices dinâmicos podem ser usados para acessar campos dos registros, mas rejeitaria a verificação de tipos e também seria mais lento

47 Implementação de Tipos Registro

48 Tipos União Uma união é um tipo que pode armazenar diferentes valores de tipo durante a execução do programa Questões de projeto A verificação de tipos deve ser exigida? Note que qualquer verificação de tipos deve ser dinâmica.

49 Discriminantes vs. Uniões Livres Fortran, C e C++ oferecem construções de união que não há nenhum suporte na linguagem para verificação de tipos A união nessas linguagens são chamadas de uniões livres A verificação de tipos em uniões exige que cada construtor de união inclua um indicador de tipo, chamado discriminante Suportado por Pascal e por Ada

50 Uniões em Ada type Shape is (Circle, Triangle, Rectangle); type Colors is (Red, Green, Blue); type Figure (Form: Shape) is record Filled: Boolean; Color: Colors; case Form is when Circle => Diameter: Float; when Triangle => Leftside, Rightside: Integer; Angle: Float; when Rectangle => Side1, Side2: Integer; end case; end record;

51 Estrutura de um registro variante Uma união discriminada de três variáveis de forma

52 Avaliação de Uniões Construções potencialmente inseguras Não permitem verificação de tipos das referências a uniões Um dos motivos pelos quais FORTRAN, Pascal, C e C++ não são fortemente tipificadas Java e C# não suportam uniões Reflexo da crescente motivação por linguagens de programação mais seguras

53 Tipos Ponteiro Um tipo ponteiro é aquele em que as variáveis têm uma faixa de valores que consistem em endereços de memória e um valor especial, nil Oferece o poder de endereçamento indireto Oferece uma alternativa para gerenciar endereçamento dinamicamente

54 Questões de projeto de ponteiros Quais são o escopo e o tempo de vida de uma variável de ponteiro? Qual é o tempo de vida de uma variável dinâmica no monte? Os ponteiros são restritos quanto ao tipo de valor para o qual eles apontam?

55 Operações com Ponteiros Duas operações fundamentais Atribuição e desreferenciamento Atribuição é usada para fixar o valor de uma variável de ponteiro em um endereço útil Desreferenciamento referencia o valor da célula de memória (não apenas o endereço) Dereferenciamento pode ser implícito ou explícito C++ usa uma operação explícita * j = *ptr fixará j ao valor ao valor alocado em ptr

56 Ilustração de atribuição de ponteiro A operação de atribuição j = *ptr

57 Problemas com Ponteiros Ponteiros Pendurados (Dangling pointers) Um ponteiro que contém o endereço de uma variável dinâmica no monte desalocada Variáveis dinâmicas no monte perdidas Uma variável dinâmica no monte alocada não mais acessível ao programa usuário (geralmente chamada de lixo) Ponteiro p1 é ajustado para apontar para uma variável dinâmica no monte recém-criada Mais tarde, ponteiro p1 é ajustado para outra variável dinâmica no monte recém-criada Vazamento de memória

58 Sumário Os tipos de dados de uma linguagem são uma grande parte daquilo que determina o seu estilo e seu uso Os tipos de dados primitivos da maioria das linguagens imperativas incluem os tipos numérico, caractere e booleano Os tipos enumeração e a subfaixa definidos pelo usuário são convenientes e aumentam a legibilidade e a confiabilidade dos programas Matrizes e registros estão presentes na maioria das linguagens de programação Ponteiros são usados para dar flexibilidade de endereçamento e para controlar o gerenciamento de armazenamento dinâmica