учебники, программирование, основы, введение в,

 

Типы переменных. Целые и вещественные переменные, представление целых и вещественных чисел в компьютере

Типы переменных
Тип переменной определяется множеством значений, которое она может принимать. Кроме того, тип определяет операции, которые возможны с переменной. Например, с численными переменными возможны арифметические операции, с логическими - проверка, истинно или ложно значение переменной, с символьными - сравнение, с табличными (или массивами) - чтение или запись элемента таблицы с заданным индексом и т.п. Как правило, в любом современном языке имеется базовый набор типов и несколько конструкций, которые позволяют строить новые типы из уже созданных. Наборы базовых типов и конструкций различаются для разных языков. В описании неформального алгоритмического языка будут использоваться типы и конструкции, которые присутствуют в большинстве языков практического программирования.
Целочисленные переменные
Тип целое число является основным для любого алгоритмического языка. Связано это с тем, что содержимое ячейки памяти или регистра процессора можно рассматривать как целое число. Адреса элементов памяти также представляют собой целые числа, с их помощью записываются машинные команды и т.д. Символы представляются в компьютере целыми числами - их кодами в некоторой кодировке. Изображения также задаются массивами целых чисел: для каждой точки цветного изображения хранятся интенсивности ее красной, зеленой и синей составляющей (в большинстве случаев - в диапазоне от 0 до 255). Как говорят математики, целые числа даны свыше, все остальное сконструировал из них человек.
Общепринятый в программировании термин целое число или целочисленная переменная, строго говоря, не вполне корректен. Целых чисел бесконечно много, десятичная или двоичная запись целого числа может быть сколь угодно длинной и не помещаться в области памяти, отведенной под одну переменную. Целая переменная в компьютере может хранить лишь ограниченное множество целых чисел в некотором интервале. В современных компьютерах под целую переменную отводится 4 байта, т.е. 32 двоичных разряда. Она может хранить числа от нуля до 2 в 32-й степени минус 1. Таким образом, максимальное целое число, которое может храниться в целочисленной переменной, равно
232 - 1 = 4294967295
Сложение и умножение значений целых переменных выполняется следующим образом: сначала производится арифметическая операция, затем старшие разряды результата, вышедшие за границу тридцати двух двоичных разрядов (т.е. четырех байтов), отбрасываются. Определенные таким образом операции удовлетворяют традиционным законам коммутативности, ассоциативности и дистрибутивности:
a+b = b+a,  ab = ba
(a+b) + c = a+(b+c), (ab)c = a(bc)
a(b+c) = ab+ac
Кольцо вычетов по модулю m
Целочисленный тип компьютера в точности соответствует важнейшему понятию математики - понятию кольца вычетов по модулю m. В качестве m выступает число 232 = 4294967296. В математике кольцо Zm определяется следующим образом. Все множество целых чисел Z разбивается на m классов, которые называются классами эквивалентности. Каждый класс содержит числа, попарная разность которых делится на m. Первый класс содержит числа
{...,-2m,-m,0,m,2m, ...}
второй
{..., -2m+1, -m+1, 1, m+1, 2m+1, ...} 
последний
{..., -m-1, -1, m-1, 2m-1, 3m-1, ...}
Элементами кольца Zm являются классы эквивалентности. Их ровно m, так что, в отличие от множества целых чисел Z, кольцо Zm содержит конечное число элементов. Операции с классами выполняются следующим образом: надо взять по одному представителю из каждого класса, произвести операцию и определить, в какой класс попадает результат. Этот класс и будет результатом операции. Легко показать, что он не зависит от выбора представителей.
Все числа, принадлежащие одному классу эквивалентности, имеют один и тот же остаток при делении на m. Таким образом, класс эквивалентности однозначно определяется остатком от деления на m. Традиционно остаток выбирается неотрицательным, в диапазоне от 0 до m -1. Остатки используют для обозначения классов, при этом используются квадратные скобки. Так, выражение [5] обозначает класс эквивалентности, состоящий из всех чисел, остатки которых при делении на m равны пяти. Все кольцо Zm состоит из элементов
[0],[1],[2], ...,[m-1],
например, кольцо Z5 состоит из элементов
[0],[1],[2],[3],[4].
В элементарной школьной математике результат операции остатка от деления традиционно считается неотрицательным. Операция нахождения остатка будет обозначаться знаком процента %, как в языке Си. Тогда, к примеру,
3%5 = 3,
17%5 = 2,
(-3)%5 = 2,
(-17)%5 = 3.
Отсюда видно, что в школьной математике не выполняется равенство
(-a)%b = -(a%b),
т.е. операции изменения знака и нахождения остатка не перестановочны (на математическом языке, не коммутируют друг с другом). В компьютере операция нахождения остатка от деления для отрицательных чисел определяется иначе, ее результат может быть отрицательным. В приведенных примерах результаты будут следующими:
3%5 = 3,
17%5 = 2,
(-3)%5 = -3,
(-17)%5 = -2.
При делении на положительное число знак остатка совпадает со знаком делимого. При таком определении тождество
(-a)%b = a%(-b) = -(a%b)
справедливо. Это позволяет во многих алгоритмах не следить за знаками (так же, как в тригонометрии формулы, выведенные для углов, меньших 90 градусов, автоматически оказываются справедливыми для любых углов).
Вернемся к рассмотрению кольца Zm. Выберем по одному представителю из каждого класса эквивалентности, которые составляют множество Zm. Систему таких представителей называют системой остатков. Традиционно рассматривают две системы остатков: неотрицательную систему и симметричную систему. Неотрицательная система остатков состоит из элементов
0,1,2,3, ...m-1.
Очень удобна также симметричная система остатков, состоящая из отрицательных и неотрицательных чисел, не превосходящих m/2 по абсолютной величине. Пусть
k = целая часть(m/2)
тогда симметричная система остатков при нечетном m состоит из элементов
-k, -k+1, ..., -1, 0, 1, ..., k-1, k,
а при четном m - из элементов
-k, -k+1, ..., -1, 0, 1, ..., k-1.
Например, при m = 5 симметричная система остатков состоит из элементов
-2, -1, 0, 1, 2.
Кольцо Zm можно представлять состоящим из элементов, принадлежащих выбранной системе остатков. Арифметические операции определяются следующим образом: надо взять два остатка, произвести над ними операцию как над обычными целыми числами и выбрать тот остаток, которой лежит в том же классе эквивалентности, что и результат операции. Например, для симметричной системы остатков множества Z5 имеем:
1+1 = 2,        1+2 = -2,
1+(-2) = -1,    1+(-1) = 0,
(-2)+2 = 0,     (-2)+(-2) = 1.
Интерпретация положительных и отрицательных чисел
В кольце вычетов невозможно определить порядок, согласованный с операциями (т.е. так, чтобы, к примеру, сумма двух положительных чисел была положительной). Таким образом, в компьютере нет, строго говоря, положительных и отрицательных целых чисел, поскольку компьютерные целые числа - это на самом деле элементы кольца вычетов. Выбирая либо неотрицательную, либо симметричную систему остатков, можно интерпретировать эти числа либо как неотрицательные в диапазоне от нуля до m-1, либо как отрицательные и положительные числа в диапазоне от -k до k, где k - целая часть от деления m на 2.
В программировании симметричная система остатков более популярна, поскольку трудно обойтись без отрицательных чисел. При этом следует понимать, что сумма двух положительных чисел может оказаться отрицательной, или, наоборот, сумма двух отрицательных чисел - положительной. Иногда в программировании такую ситуацию называют переполнением. Привычные свойства целочисленных операций в компьютере выполняются лишь для небольших чисел, когда результат операции не превосходит числа m = 232. В случае целочисленных переменных переполнение не является экстраординарной ситуацией и не приводит к аппаратным ошибкам или прерываниям. (Это, кстати, отличает компьютерные целые числа от вещественных.) Переполнение - совершенно нормальная ситуация, если вспомнить, что компьютер работает с элементами кольца вычетов по модулю m, а не с настоящими целыми числами.
Следует также отметить, что симметричная система остатков кольца Zm в случае четного m (а m для компьютера равно 232, т.е. четно) не вполне симметрична. Поскольку ноль не имеет знака, то число положительных остатков не может равняться числу отрицательных.
Какой остаток выбрать в классе эквивалентности числа k = m/2? Для этого элемента выполняется непривычное с точки зрения школьной математики равенство
k+k http://localhost:3232/img/symbols/equiv.gif 0  (mod m),
т.е.
k http://localhost:3232/img/symbols/equiv.gif -k  (mod m)
Как отрицательный остаток -k, так и положительный k в равной мере подходят для представления этого класса эквивалентности. По традиции выбирается отрицательный остаток. Таким образом, в компьютере количество отрицательных целых чисел на единицу больше, чем количество положительных. Так как m = 232 = 4294967296, то k = 231 = 2147483648, и симметричная система остатков состоит из элементов
-2147483648, -2147483647, ..., -2, -1, 0, 1, 2, ..., 2147483647.
В двоичном представлении старший разряд у отрицательных целых чисел равен единице, у положительных - нулю. Двоичные разряды представления целого числа в программировании нумеруют от 0 до 31 справа налево. Старший разряд имеет номер 31 и часто называется знаковым разрядом. Таким образом, знаковый разряд равен единице у всех отрицательных чисел и нулю у неотрицательных. Двоичное представление максимального по абсолютной величине отрицательного числа k состоит из единицы и тридцати одного нуля:
-214748364810 = 100000000000000000000000000000002
Двоичное представление числа -1 состоит из тридцати двух единиц:
-110 = 111111111111111111111111111111112
Двоичное представление максимального положительного числа состоит из нуля в знаковом разряде и тридцати одной единицы:
214748364710 = 011111111111111111111111111111112
Следует отметить, что в программировании часто используют также короткие целые числа, двоичная запись которых занимает восемь разрядов, т.е. один байт, или шестнадцать разрядов, т.е. два байта. Работа с такими короткими целыми числами поддерживается на аппаратном уровне. В языки Си однобайтовым целым числам соответствует тип char (тип char в Си - это именно целые числа, символы представляются их целочисленными кодами), двухбайтовым - тип short. Однобайтовые целые числа - это элементы кольца вычетов Zm, где m = 28 = 256. Симметричная система остатков в этом случае состоит из элементов
-128, -127, ..., -2, -1, 0, 1, 2, ..., 127.
В случае двухбайтовых целых чисел (тип short) m = 216 = 65536, а симметричная система остатков состоит из элементов
-32768, -32767, ..., -2, -1, 0, 1, 2, ..., 32767.
Вещественные переменные
Вещественные числа представляются в компьютере в так называемой экспоненциальной, или плавающей, форме. Вещественное число r имеет вид
r = ±2e* m 
Представление числа состоит из трех элементов:

  1. знак числа - плюс или минус. Под знак числа отводится один бит в двоичном представлении, он располагается в старшем, т.е. знаковом разряде. Единица соответствует знаку минус, т.е. отрицательному числу, ноль - знаку плюс. У нуля знаковый разряд также нулевой;
  2. показатель степени e, его называют порядком или экспонентой. Экспонента указывает степень двойки, на которую домножается число. Экспонента может быть как положительной, так и отрицательной (для чисел, меньших единицы). Под экспоненту отводится фиксированное число двоичных разрядов, обычно восемь или одиннадцать, расположенных в старшей части двоичного представления числа, сразу вслед за знаковым разрядом;
  3. мантисса m представляет собой фиксированное количество разрядов двоичной записи вещественного числа в диапазоне от 1 до 2:
  1. 1 http://localhost:3232/img/symbols/le.gif m<2  

Следует подчеркнуть, что левое неравенство нестрогое - мантисса может равняться единице, а правое - строгое, мантисса всегда меньше двух. Разряды мантиссы включают один разряд целой части, который ввиду приведенного неравенства всегда равен единице, и фиксированное количество разрядов дробной части. Поскольку старший двоичный разряд мантиссы всегда равен единице, хранить его необязательно, и в двоичном коде он отсутствует. Фактически двоичный код хранит только разряды дробной части мантиссы.
В языке Си вещественным числам соответствуют типы float и double. Элемент типа float занимает 4 байта, в которых один бит отводится под знак, восемь - под порядок, остальные 23 - под мантиссу (на самом деле, в мантиссе 24 разряда, но старший разряд всегда равен единице, поэтому хранить его не нужно). Тип double занимает 8 байтов, в них один разряд отводится под знак, 11 - под порядок, остальные 52 - под мантиссу. На самом деле в мантиссе 53 разряда, но старший всегда равен единице и поэтому не хранится. Поскольку порядок может быть положительным и отрицательным, в двоичном коде он хранится в смещенном виде: к нему прибавляется константа, равная абсолютной величине максимального по модулю отрицательного порядка. В случае типа float она равна 127, в случае double - 1023. Таким образом, максимальный по модулю отрицательный порядок представляется нулевым кодом.
Основным типом является тип double, именно он наиболее естественен для компьютера. В программировании следует по возможности избегать типа float, так как его точность недостаточна, а процессор все равно при выполнении операций преобразует его в тип double. (Один из немногих случаев, где применение типа float оправдано, - трехмерная компьютерная графика.)
Несколько примеров представления вещественных чисел в плавающей форме:

  1. 1.0 = +20*1.0

Здесь порядок равен 0, мантисса - 1. В двоичном коде мантисса состоит из одних нулей, так как старший разряд мантиссы (всегда единичный) в коде отсутствует. Порядок хранится в двоичном коде в смещенном виде, он равен 127 в случае float и 1023 в случае double;

  1. 3.5 = +21*1.75

Порядок равен единице, мантисса состоит из трех единиц, из которых в двоичном коде хранятся две: 1100...0; смещенный порядок равен 128 для float и 1024 для double;

  1. 0.625 = +2-1*1.25

Порядок отрицательный и равен -1, дробная часть мантиссы равна 0100...0; смещенный порядок равен 126 для float и 1022 для double;

  1. 100.0 = +26*1.5625

Порядок равен шести, дробная часть мантиссы равна 100100...0; смещенный порядок равен 133 для float и 1029 для double.
При выполнении сложения двух положительных плавающих чисел происходят следующие действия:

  1. выравнивание порядков. Определяется число с меньшим порядком. Затем последовательно его порядок увеличивается на единицу, а мантисса делится на 2, пока порядки двух чисел не сравняются. Аппаратно деление на 2 соответствует сдвигу двоичного кода мантиссы вправо, так что эта операция выполняется быстро. При сдвигах правые разряды теряются, из-за этого может произойти потеря точности (в случае, когда правые разряды ненулевые);
  2. сложение мантисс;
  3. нормализация: если мантисса результата стала равна или превысила двойку, то порядок увеличивается на единицу, а мантисса делится на 2. В результате этого мантисса попадает в интервал 1 http://localhost:3232/img/symbols/le.gifm<2. При этом возможна потеря точности, а также переполнение, когда порядок превышает максимально возможную величину.

Вычитание производится аналогичным образом. При умножении порядки складываются, а мантиссы перемножаются как целые числа, после чего у результата правые разряды отбрасываются.
Машинный эпсилон
Действия с плавающими числами из-за ошибок округления лишь приближенно отражают арифметику настоящих вещественных чисел. Так, если к большому плавающему числу прибавить очень маленькое, то оно не изменится. Действительно, при выравнивании порядков все значащие биты мантиссы меньшего числа могут выйти за пределы разрядной сетки, в результате чего оно станет равным нулю. Таким образом, с плавающими числами возможна ситуация, когда
a+b = a   при b http://localhost:3232/img/symbols/ne.gif 0
Более того, для сложения не выполняется закон ассоциативности:
a+(b+c) http://localhost:3232/img/symbols/ne.gif (a+b)+c
Действительно, пусть ε - максимальное плавающее число среди чисел, удовлетворяющих условию
1.0+ε = 1.0
(приведенные выше рассуждения показывают, что такие числа существуют). Тогда
(1.0+ε)+ε http://localhost:3232/img/symbols/ne.gif 1.0+(ε+ε)
поскольку левая часть неравенства равна единице, а правая строго больше единицы (это следует из максимальности числа ε).
Число ε часто называют машинным эпсилоном или, чуть менее корректно, машинным нулем, поскольку при прибавлении к единице оно ведет себя как ноль. Величина машинного эпсилона характеризует точность операций компьютера. Она примерно одинакова для всех современных компьютеров: большинство процессоров работают с восьмибайтовыми плавающими числами (тип double в Си), а арифметика плавающих чисел подчиняется строгим международным стандартам.
Оценим величину машинного эпсилона для типа double. Число 1.0 записывается в плавающей форме как
1.0 = +20*1.0.    
Порядок плавающего числа 1.0 равен нулю. При сложении 1.0 с числом ε производится выравнивание порядка путем многократного сдвига мантиссы числа ε вправо и увеличения его порядка на 1. Поскольку все разряды числа ε должны в результате выйти за пределы разрядной сетки, должно быть выполнено 53 сдвига. Порядок числа ε после этого должен стать равным порядку числа 1.0, т.е. нулю. Следовательно, изначально порядок числа ε должен быть равным -53:
ε = 2-53*m    
где m - число в диапазоне от единицы до двух. Таким образом, величина машинного эпсилона составляет примерно
2-53 http://localhost:3232/img/symbols/cong.gif 10-16
Приблизительно точность вычислений составляет 16 десятичных цифр. (Это также можно оценить следующим образом: 53 двоичных разряда составляют примерно 15.95 десятичных, поскольку 53/log210 http://localhost:3232/img/symbols/cong.gif53/3.321928 http://localhost:3232/img/symbols/cong.gif15.95.)
В случае четырехбайтовых плавающих чисел (тип float языка Си) точность вычислений составляет примерно 7 десятичных цифр. Это очень мало, поэтому тип float чрезвычайно редко применяется на практике. К тому же процессор сконструирован для работы с восьмибайтовыми вещественными числами, а при работе с четырехбайтовыми он все равно сначала приводит их к восьмибайтовому типу. В программировании следует избегать типа float и всегда пользоваться типом double.
Некоторые процессоры применяют внутреннее представление плавающих чисел с большим количеством разрядов мантиссы. Например, процессор Intel использует 80-битовое (десятибайтовое) представление. Поэтому точность вычислений, которые не записывают промежуточные результаты в память, может быть несколько выше указанных оценок.
Кроме потери точности, при операциях с вещественными числами могут происходить и другие неприятности:

  1. переполнение - когда порядок результата больше максимально возможного значения. Эта ошибка часто возникает при умножении больших чисел;
  2. исчезновение порядка - когда порядок результата отрицательный и слишком большой по абсолютной величине, т.е. порядок меньше минимально допустимого значения. Эта ошибка может возникнуть при делении маленького числа на очень большое или при умножении двух очень маленьких по абсолютной величине чисел.

Кроме того, некорректной операцией является деление на ноль. В отличие от операций с целыми числами, переполнение и исчезновение порядка считаются ошибочными ситуациями и приводят к аппаратному прерыванию работы процессора. Программист может задать реакцию на прерывание - либо аварийное завершение программы, либо, например, при переполнении присваивать результату специальное значение плюс или минус бесконечность, а при исчезновении порядка - ноль. Заметим, что среди двоичных кодов, представляющих плавающие числа, имеется несколько специальных значений. Перечислим некоторые из них:

  1. бесконечно большое число - это плавающее число с очень большим положительным порядком и, таким образом, очень большое по абсолютной величине. Оно может иметь знак плюс или минус;
  2. бесконечно малое, или денормализованное, число - это ненулевое плавающее число с очень большим отрицательным порядком (т.е. очень маленькое по абсолютной величине);
  3. Not a Number, или NaN - двоичный код, который не является корректным представлением какого-либо вещественного числа.

Любые операции с константой NaN приводят к прерыванию, поэтому она удобна при отладке программы - ею перед началом работы программы инициализируются значения всех вещественных переменных. Если в результате ошибки программиста при вычислении выражения используется переменная, которой не было присвоено никакого значения, то происходит прерывание из-за операции со значением NaN и ошибка быстро отслеживается. К сожалению, в случае целых чисел такой константы нет: любой двоичный код представляет некоторое целое число.
Запись вещественных констант
Вещественные константы записываются в двух формах - с фиксированной десятичной точкой или в экспоненциальном виде. В первом случае точка используется для разделения целой и дробной частей константы. Как целая, так и дробная части могут отсутствовать. Примеры:
1.2,   0.725,   1.,   .35,   0.
В трех последних случаях отсутствует либо дробная, либо целая часть. Десятичная точка должна обязательно присутствовать, иначе константа считается целой. Отметим, что в программировании именно точка, а не запятая, используется для отделении дробной части; запятая обычно служит для разделения элементов списка.
Экспоненциальная форма записи вещественной константы содержит знак, мантиссу и десятичный порядок (экспоненту). Мантисса - это любая положительная вещественная константа в форме с фиксированной точкой или целая константа. Порядок указывает степень числа 10, на которую домножается мантисса. Порядок отделяется от мантиссы буквой "e" (от слова exponent), она может быть прописной или строчной. Порядок может иметь знак плюс или минус, в случае положительного порядка знак плюс можно опускать. Примеры:
1.5e+6      константа эквивалентна  1500000.0
1e-4        константа эквивалентна  0.0001
-.75E3      константа эквивалентна  -750.0

 

 
На главную | Содержание | < Назад....Вперёд >
С вопросами и предложениями можно обращаться по nicivas@bk.ru. 2013 г.Яндекс.Метрика