ДИНАМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ

Динамические переменные и указатели. До сих мы рассматривали статические переменные. Такие переменные автоматически порождаются при входе в тот блок, в котором они описываются, существуют на протяжении работы всего блока и уничтожаются при выходе их этого блока.

Обращение к статическим переменным производится по их именам, а тип определяется их описанием. Вся работа по размещению статических объектов в памяти машины выполняется на этапе трансляции. Однако использование только статических переменных может вызвать трудности при составлении эффективной машинной программы. Во многих случаях заранее неизвестен размер той или иной структуры данных, или структура может изменяться в процессе выполнения программы. Одна из подобных структур - последовательный файл - уже ранее рассматривалась.

В языке Паскаль предусмотрена возможность использованиядинамических величин. Для них выделение и очистка памяти происходит не на этапе трансляции, а в ходе выполнения самой программы. Для работы с динамическими величинами в Паскале предусмотрен специальный тип значений - ссылочный. Этот тип не относится ни к простым, ни к составным. Переменные ссылочного типа, или указатели, являются статическими переменными. Значением переменной ссылочного типа является адрес ячейки - места в памяти соответствующей динамической величины, Свое значение ссылочная переменная получает в процессе выполнения программы, в момент появления соответствующей динамической величины.

Переменные ссылочного типа (указатели) вводятся в употребление обычным путем с помощью их описания в разделе переменных, а их тип, указывающий на тип создаваемых в программе соответствующих динамических величин, тоже определяется либо путем задания типа в описании переменных, либо путем указания имени ранее описанного типа.

Значением указателя является адрес ячейки, начиная с которой будет размещена в памяти соответствующая динамическая величина. Задание ссылочного типа выполняется по схеме

type <имя ссылочного типа> = ^{^} <имя типа динамической величины>

(значок ^{^} указывает на то, что величина является динамической).

Например:

type

р = ^{^} integer;

q = ^{^} record

х:integer;

у: string [20]

end;

Объявлены два ссылочных типа - р и q. Первый - указатель на целочисленные значения, второй - на двухполевую запись.

Связь указателя с динамическим объектом можно изобразить следующим образом:

На этой схеме р - имя указателя; звездочкой изображено значение указателя, а стрелка отражает тот факт, что значением указателя является адрес объекта (ссылка на объект), посредством которого объект и доступен в программе.

В некоторых случаях возникает необходимость в качестве значения указателя принять «пустую» ссылку, которая не связывает с указателем никакого объекта. Такое значение в Паскале задается служебным словом nil и принадлежит любому ссылочному типу. Результаты выполнения оператора p:=nil можно изобразить

следующим образом:

Имея объявленные типы, можно обычным образом описывать переменные этих типов.

Например,

var i: р; zap: q;

Динамические переменные базовых типов можно вводить прямо в разделе «описания переменных»:

var i: ^integer;

Описание указателя еще не резервирует память для значения соответствующего динамического объекта. Так, каждое вышеприведенное описание выделяет в памяти два байта для записи адреса * - значения указателя, но никакой величины типа р или q в памяти не образуется и даже адреса * еще нет.

Для порождения динамического объекта, на который указывает ссылочная переменная i, сложит стандартная процедура new(i), где new - «новый» - имя процедуры, i - имя указателя, я

Процедура new(i) выполняет две функции:

1) резервирует место в памяти для размещения динамического объекта соответствующего типа с именем i;

2) указателю i присваивает адрес динамического объекта i.

Однако, узнать адрес динамической переменной с помощью процедуры writeln(i) нельзя.

Динамические объекты размещаются по типу стека в специальной области памяти — так называемой «куче», свободной от программ и статических переменных. Как уже было отмечено, символ ^ после имени указателя означает, что речь идет не о значении ссылочной переменной, а о значении того динамического объекта, на который указывает эта ссылочная переменная. Так, если в программе имеется описание переменной

var:^integer

то при выполнении процедуры new(i) порождается динамическая переменная типа integer. Если затем будет выполнен оператор присваивания

i^:= 58

то этой динамической переменной будет присвоено значение 58.

Имя ссылочной переменной с последующим символом ^{^} называют «переменной с указателем». Именно она синтаксически выполняет роль динамической переменной и может быть использована в любых конструкциях языка, где допустимо использование переменных того типа, что и тип динамической переменной.

Так, ecли j - статическая переменная типа integer, то допустимы операторы присваивания

j:=j+i^2; i^:i^div 3+4; i^sqr(i^) и т.д.

Если ссылочная переменная b указывает на массив

type mas = array[l... 100] of integer, ,

var b:^mas

то в этом случае переменные с указателем могут выглядеть, например, так:

b^[2], b^[k+5].

Если в процессе выполнения программы некоторый динамический объект р^, созданный в результате выполнения оператора new(p), становится ненужным, то его можно уничтожить (очистить выделенное ему место в памяти) с помощью стандартной процедуры dispose(p). В результате выполнения оператора вида dispose(p) динамический объект, на который указывает ссылочная переменная р, прекращает свое существование, занимаемое им место в памяти становится свободным, а значение указателя р становится неопределенным (но не равным nil).

Если до вызова процедуры dispose(p) имел пустое значение nil, то это приведет к «зависанию» программы.

Если же до вызова этой процедуры указатель р не был определен,то это можетпривести к выходу из строя операционной системы.

Значение одного указателя можно присвоить другому указателю того же типа. Можно также указатели одинакового типа сравнивать друг с другом, используя отношения «=» или «<>».

Стандартные процедуры new и dispose позволяют динамически порождать программные объекты и уничтожатьих, что дает возможность использовать память машины более эффективно.

Связанные списки данных. Несмотря на богатый набор типов данных в Паскале, н не исчерпывает всего практически необходимого для разработки многих классов программ. В частности, из разнообразных связанных структур данных в языке стандартизированы массивы и файлы, а кроме них могут потребоваться и схожие с ними, но иные структуры. Для них характерны, в частности, следующие признаки:

а) неопределенное заранее число элементов;

б) необходимость хранения в оперативнойпамяти.

Средство для реализации таких структур дает аппарат динамических переменных.

Простейшей из обсуждаемых структур является однонаправленный список. Он строится подобно очереди на прием к врачу: пациенты сидят на любых свободных местах, но каждый из них знает, за кем он в очереди (т.е. данные размещаются на свободных местах в памяти, но каждый элемент содержит ссылку на предыдущий или следующий элемент). Поскольку количество пациентов заранее не очевидно, структура является динамической.

Другая подобная структура, с упоминанием о которой мы уже не раз встречались - стек. Его моделью может служить трубка с запаянным концом, в которую вкатывают шарики. При этом реализуется принцип «последним вошел - первым вышел». Возможное количество элементов в стеке не фиксировано.

Остановимся на примере стека и покажем его программную реализацию. Технически при этом следует решить ряд задач, из которых наиболее специфическими являются

а) связывание последующих компонентов стека;

б) смещение ссылок при каждом движении по стеку.

Из-за необходимости хранить не только значение каждого элемента, но и соответствующую ссылку на последующий элемент, каждый из элементов будем хранить в виде двухполевой записи, в которой первое поле - значение элемента, а второе -ссылка на следующий элемент. Схематически эту структуру можно описать следующим образом

(элементу, который пришел первым, ссылаться не на что, о чем свидетельствует «пустая ссылка» nil).

Пусть для конкретности элементы стека - действительные числа, и при последовательном заполнении состояния стека будут

1,75

35,7            1,75

-6,94          35,7            1,75

Приведенная ниже программа включает две процедуры: добавления очередной компоненты к стеку и изъятия ее. Программа формирует указанный стек и производит контрольное извлечение из него. Каждое действие снабжено комментарием, который поможет разобраться в программе. Следует обратить особое внимание на организацию смещения ссылок.

Программа 28

program stack;(формирование динамической структуры - стека}

type s^StackComp; StackComp=record

b:real;

p;s;

end;

var a:s; k:real;

procedure Dobavl(k:real); (процедура добавления к стеку числа «к»}

var j : s ;

begin new(j);      (создание новой динамической записи}

j^.b:=k;      (внесение следующей компоненты стека}

j^.p;=a;   (смещение указателя} a:=j (формирование новой записи)

end;

procedure Vzjat(var k:real); (процедура чтения из стека)

var j :s;

begin j:=а;

k:j^b;                   (k-значение последней компоненты}

a:=j^p;                 (перенастройка указателя)

dispose(j)          (ликвидация использованной записи)

end;

begin                                                (пример записи и чтения)

a:=nil; Dobavl(1.75) ;

Dobavl(35.7);

Dobavl(-6.94);             (     сформирован стек: -6.94, 35.7, 1.75)

Vzjat(k); writeln(k); (контрольное взятие из стека)

Vzjat(k); writeln(k); (еще одно взятие из стека)

Vzjat(k); writeln(k)           (еще одно взятие из стека)

end.                                                       (результат работы программы: -6.94 35.7 1.75}

Контрольные вопросы

1. В чем принципиальное различие статических и динамических переменных?

2. 2 Как реализуется связь указателя с динамическим объектом?

3. 3. Что такое «связанный список данных»?

РАБОТА С ГРАФИКОЙ

Машинная (компьютерная) графика- одно из важных направлений в современной прикладной информатике. В отличие от базового Паскаля, современные версии содержат мощные средства разработки графических программ. Рассмотрим часть соответствующих возможностей Турбо-Паскаля, в котором они реализованы с помощью стандартного модуля Graph.

Модуль представляет собой мощную библиотеку графических подпрограмм универсального назначения, рассчитанную на работу с наиболее распространенными графическими адаптерами CGA, EGA, VGA, SVGA IBM-совместимых персональных компьютеров.

Подключение модуля Graph, tpu к программе выполняется директивой

uses graph;

Инициализация графического экрана осуществляется с помощью процедуры Initgraph. Драйвер поддерживает тот или иной режим экрана, табл. 3.1.

Таблица 3.1

 Некоторые сведения о драйверах н определяемых ими режимах

Процедура инициализации в Турбо-Паскале имеет три аргумента:

Initgraph(<драйвep>, <режим>, '<путь к драйверу>').

Она может быть выполнена так:

uses graph;

var gd, gm: integer; {переменные gd и gm определяют драйвер и режим}

begin

gd:=vga; gm:=vgahi;

initgraph(gd,gm.'d:\tp55¹);

Первые две команды можно заменить одной:

gd:=detect

Целая константа detect=0 в модуле Graph автоматически распознает драйвер и устанавливает режим максимального разрешения для данной машины.

Процедура closegraph освобождает память от драйвера и устанавливает режим работы экрана, который был до инициализации графики.

Для обнаружения ошибок в графике применяются функции graphresult и grapherrormsg (код ошибки). Последняя выдает строку сообщения о характере ошибки, соответствующей коду. Инициализация графического режима с проверкой ошибок может быть выполнена в программе следующим образом:

uses graph; var gd, gm, errorcod: integer;

begin

gd:=detect; initgraph(gd,gm,");

errorcod'=graphresult;

if errorcod <>grok then

Begin

writeln('ошибка графики');

writeln(grapherrormsg(errorcod));

halt

end;

Процедура Halt останавливает выполнение программы и возвращает управление операционной системе.

Для формирования палитры используется система смешения красного, зеленого и синего цветов и изменения яркости луча. Цвет задается номером из списка цветов палитры в интервале 0 .. 15.

Процедуры sе1со1ог(<цвет>) и setbkcolor(<цвет>) устанавливают текущий цвет рисунка и цвет фона. При инициализации графики по умолчанию устанавливается черный фон и белый цвет рисунка.

В табл. 3.2 указаны основные процедуры для модуля Graph, применяющиеся для построения простейших геометрических примитивов.

Координаты точек воспринимаются в «экранной» системе координат, в которой начало - верхний левый угол экрана, ось «х» направлена вниз, ось «у» -направо. Максимальные значения координат определяются разрешимостью экрана (см. табл. 3.1).

Первый аргумент процедуры setlinestyle(a,b,t) а - стиль линии второй параметр b -«образец» - имеет значение 4, если а=4, в остальных случаях b=0; третий параметр t -толщина линии - может иметь значение 1 (нормальная толщина) или 3 (жирная линия).

Таблица 3.2

 Основные процедуры модуля Graph

Первый аргумент процедуры setfillstyle(t,c) - тип закраски t - принимает значения из интервала 0..12. Наиболее употребителен тип t = 1 - заполнение фигуры текущим цветом.

Для вывода текста на графический экран сначала выполняется процедура settextstyle(f,n,d), устанавливающая шрифт f, направление вывода п и размер символов (параметр d). При f = 0 используется стандартный точечный шрифт, встроенный в систему Турбо-Паскаль. С использованием других шрифтов познакомимся ниже. Направление вывода п принимает значения 0 (горизонтальный вывод) и 1 (вертикальный вывод).

Размер букв определяется параметром d, принимающим значения из интервала 1..10. Если d = 1 и f = 0, то каждый символ занимает квадрат 8*8 точек, при d > 1 сторона квадрата умножается на d.

Далее, с помощью процедуры outtextxy(x,y,st) строка st выводится на экран, начиная с точки (х,у).

Например:

settextstyle(0,0,2); оuttехtху(100,200,'горизонтальная строка');

оuttехtху(100,230,'размер увеличен вдвое');