Расположение информации в оперативной памяти. Адреса

Этот и следующий параграфы носят ознакомительный характер.

Раньше я уподоблял оперативную память тетрадному листу в клеточку. Каждая клетка - байт. Теперь я уподоблю ее многоэтажному небоскребу. Каждый этаж - байт.

Как и положено этажам, байты имеют номера. Эти номера называются адресами. Самый "нижний" байт имеет адрес 0, следующий - 1, следующий - - 2 и т.д. Если память вашего компьютера имеет объем 1 Мегабайт, то вы сами можете вычислить адрес последнего байта, учитывая, что 1 Мегабайт = 1024 Килобайта, a 1Килобайт = 1024 байта. Приняты сокращения: Мегабайт - М, Килобайт - К. Имейте в виду, что во многих книгах адреса записываются не в привычном нам виде, а в так называемой шестнадцатеричной системе счисления.

Во время выполнения вашей программы, написанной на Паскале, в памяти находится самая разная информация. То, что относится к паскалевской программе, располагается "по этажам" в следующем порядке:

 

байт с адресом 1М-1
куча
	стек
	сегмент данных объемом 64К
	откомпилированная программа
байт с адресом 0

Границы между некоторыми областями памяти не фиксированы и зависят от решаемой задачи и желания программиста. В сегменте данных располагаются переменные, массивы и другие типы данных вашей программы, описанные привычным вам способом в разделах VAR, CONST и т.д. (без использования ссылок). Обратите внимание, что размер сегмента данных весьма невелик (не более 64К). Стек - область памяти, в которой располагаются данные, описанные внутри процедур (этого мы пока не делали, об этом - в Глава 13). Куча - область памяти, в которой располагаются данные, описанные при помощи ссылок.

 

Ссылки

Пусть вы хотите использовать следующий массив:

VAR a: array[1..200, 1..200] of Integer;

Давайте подсчитаем, сколько байтов в памяти займет этот массив. Одно число типа Integer занимает 2 байта. Получаем 200*200*2 = 80000 байтов. В сегменте данных массив не умещается, значит привычным образом работать с ним нельзя. Использование ссылок позволяет разместить его в куче(по английски - heap), имеющей гораздо больший размер.

Я привел лишь один из доводов в пользу применения ссылок. А поближе познакомимся мы со ссылками на простом примере. Задача: Вычислить и напечатать y=a+b, где a и b - целые числа 2 и 3. Вот традиционная программа для решения этой задачи:

VAR a, b, y: Integer;
BEGIN
a:=2; b:=3;
y:=a+b;
WriteLn (y)
END.

А теперь потребуем, чтобы число 2 и результат 5 размещались в куче (впрочем, строго говоря, не обязательно в куче). Вот программа со ссылками:

VAR b: Integer;
a,y: ^ Integer;
BEGIN
New(a); New(y);
a ^:= 2; b:=3;
y ^:= a ^ + b;
WriteLn (y ^)
END.

Пояснения: Все, что выше BEGIN, выполняется на этапе компиляции: Строка a,y: ^ Integer приказывает отвести в памяти в сегменте данных две ячейки, но не для будущих чисел 2 и 5, а для адресов ячеек из кучи, в которых эти самые 2 и 5 предполагается хранить. Итак, будущие значения a и y - не числа 2 и 5, а адреса ячеек для этих чисел или, по-другому, ссылки на ячейки для этих чисел. Пока же адреса эти не определены.

Все, что ниже BEGIN, выполняется на этапе выполнения программы: При помощи обращений к процедуре New (New(a) и New(y)) мы идем дальше и придаем переменным a и y значения конкретных адресов памяти, то есть отводим для будущих чисел 2 и 5 конкретное место в памяти. Таким образом, мы сталкиваемся с новым для нас явлением - место в памяти отводится не на этапе компиляции, а на этапе выполнения программы. В Паскале имеются средства и освобождать это место на этапе выполнения программы (процедура Dispose, на которой я не буду останавливаться). Называется все это динамическим распределением памяти и сулит выгоды экономным создателям программ, использующим большие объемы разных данных в разные моменты выполнения программы.

Оператор a ^:= 2 идет еще дальше и посылает в ячейку, адрес которой находится в ячейке a, число 2. Обозначается такая ячейка - a ^. Если бы мне вздумалось написать a:=2, это бы значило, что я хочу послать в ячейку a адрес равный двум, что вполне возможно, но синтаксически неверно, так как численные значения адресов задаются по-другому.

Смысл следующих двух операторов очевиден.

Подведем итог. Значок ^, поставленный перед типом (например, ^Integer), означает новый ссылочный тип, значения которого обязаны быть адресами переменной (или ссылками на переменную) исходного типа (в нашем случае Integer).

Значок ^, поставленный после переменной ссылочного типа (например, a^), означает переменную, на которую ссылается исходная переменная (в нашем случае исходная переменная a).

 

Вот еще некоторые возможные операции со ссылками (без особых пояснений):

TYPE D = array [1..10] of Real;
DP = ^D;
Int = ^Integer;
VAR i, j: Int; { i, j - адреса целых чисел}
m: DP; { m - адрес первой ячейки массива из 10 вещ. чисел}
BEGIN
New(i); New(j); New(m);
i^:=4;
j^:=3;
j:=i; {Теперь j и i содержат адреса одного и того же числа - 4}
WriteLn(j^); {поэтому будет напечатано число 4}
m^[9]:=300 {Девятый элемент массива становится равным числу 300}
END.

Вернемся к задаче о размещении большого массива. Поскольку Паскаль вслед за MS-DOS запрещает не только описывать, но также, естественно, и ссылаться на структуру, объемом превышающую 64К, то ссылаться сразу на весь двумерный массив не выйдет и поэтому программа получится непростой:

TYPE a = array [1..200] of Integer;
ap = ^a;
a2 = array [1..200] of ap;
VAR x: a2; {x - массив из 200 адресов (каждый - ссылка на строку из 200 элементов

исходного массива)}

BEGIN
for i:=1 to 200 do New(x[i]); {Место для массива отведено}
............
x[128]^[35]:=800; {Присвоено значение элементу массива}
.............
END.

В заключение упомяну, что ссылки полезны еще тем, что позволяют организовывать в памяти структуры переменной длины, такие как списки, деревья и т.п.

Глава 13. Процедуры и функции с параметрами

Процедуры с параметрами

Поставим и решим задачу, данную вам в качестве задания в 8.2: Составьте программу с процедурами, которая исполнит мелодию “Чижик-пыжик” (ми-до-ми-до-фа-ми-ре-соль-соль-ля-си-до-до-до).

Воспользуемся нотами третьей октавы:

USES CRT;

PROCEDURE doo; BEGIN Sound(523); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE re; BEGIN Sound(587); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE mi; BEGIN Sound(659); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE fa; BEGIN Sound(698); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE sol; BEGIN Sound(784); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE la; BEGIN Sound(880); Delay(2000); NoSound END;

PROCEDURE si; BEGIN Sound(988); Delay(2000); NoSound END;

BEGIN

mi; doo; mi; doo; fa; mi; re; sol; sol; la; si; doo; doo; doo

END.

Все процедуры в нашей программе всегда делают одно и то же. Например, процедура doo всегда издает звук частоты 523 герца и продолжительности 200 мс. Происходит это потому, что в описании процедур мы использовали не переменные величины, а константы.

В реальной музыке ноты принадлежат разным октавам и имеют разную длительность. Чтобы получить ноту четвертой октавы, достаточно умножить частоту одноименной ноты третьей октавы на 2. Например, нота ре четвертой октавы имеет частоту 587*2=1174 гц. Естественно, все ноты четвертой октавы звучат выше нот третьей октавы. Пятая октава получается из четвертой так же, как четвертая из третьей и звучит еще выше. Ноты второй октавы, наоборот, получаются из нот третьей октавы делением частоты на 2.

Поставим задачу - создать более универсальную процедуру. Чтобы заставить ноту звучать по-разному, используем переменные величины. Здесь мы используем ту же самую идею, которую мы использовали в процедуре House из Глава 10, она рисовала дом в разных местах экрана в зависимости от значений переменных величин, задающих его координаты. Для простоты ограничимся пока одной нотой ре и двумя октавами - третьей и четвертой. Длительность пусть будет любая. Пусть программа должна воспроизвести три подряд ноты ре: сначала третья октава одна секунда, затем четвертая октава одна секунда и затем третья октава три секунды.

USES CRT;

VAR octava: Byte;

dlit: Word;

PROCEDURE re; BEGIN

if octava = 3 then Sound(587) else Sound(1174);

Delay(dlit);

NoSound END;

BEGIN

octava:=3; dlit:=1000; re; octava:=4; dlit:=1000; re; octava:=3; dlit:=2000; re

END.

Недостаток программы в том, что раздел операторов выглядит довольно мутно. Гораздо прозрачнее была бы такая запись:

BEGIN

re(3,1000); re(4,1000); re(3,2000)

END.

Для обеспечения такой прозрачности подходят процедуры с параметрами. Вот программа, использующая процедуру с параметрами:

USES CRT;

PROCEDURE re (octava: Byte; dlit: Word); BEGIN

if octava = 3 then Sound(587) else Sound(1174);

Delay(dlit);

NoSound END;

BEGIN

re(3,1000); re(4,1000); re(3,2000)

END.

Пояснения: Эта программа похожа на предыдущую, но имеется несколько отличий. Строка

Procedure re (octava: Byte; dlit: Word)

называется заголовком процедуры. Здесь после имени процедуры - re - ставятся скобки и внутри них описываются так называемые формальные параметры процедуры. Здесь их два: octava и dlit. Поскольку они описаны в заголовке, пропадает необходимость в разделе VAR.

В записи re(3,1000) числа 3 и 1000 - так называемые фактические параметры процедуры, их порядок и тип должен соответствовать формальным параметрам.

Когда во время выполнения программы Паскаль натыкается на re(4,1000), он присваивает переменной octava значение 4, переменной dlit - значение 1000 (то есть, присваивает формальным параметрам значения фактических параметров) и затем переходит к выполнению тела процедуры re.

 

Усложним задачу. Создадим универсальную процедуру nota, параметрами которой будут название ноты, октава и длительность. Учтем, что длительность ноты в музыке задается в так называемых долях. Доли бывают: 1 - целая нота, 1/2 - половинка длительности, 1/4 - четвертушка и т.д. Пусть целая нота звучит 1 секунду. Вызывать процедуру nota можно было бы так: nota(re,5,8) - это означает, что мы хотим, чтобы прозвучала нота re пятой октавы длительности 1/8.

 

Вот запись программы:

 

USES CRT;

TYPE Nota_type = (doo, doo_diez, re, re_diez, mi, fa, fa_diez, sol, sol_diez, la, la_diez, si);

PROCEDURE Nota(Nazvanie:Nota_type; Oktava,Dolya:Byte); {Здесь параметр Dolya - знаменатель доли}

VAR Hz:Word; {Внутри процедуры можно описывать свои переменные (в данном примере это Hz).

Они называются локальными. Подробнее о них - в 13.3}

BEGIN

{Объясним Паскалю частоту нужных нам нот третьей октавы}

case Nazvanie of

doo: Hz:=523;

re: Hz:=587;

sol: Hz:=784;

la: Hz:=880;

la_diez: Hz:=932;

end;

{Теперь меняем частоту в зависимости от октавы}

case Oktava of

1: Hz:=Hz div 4; {Используем целочисленное деление,так как стандартная}

2: Hz:=Hz div 2; {процедура Sound требует задавать частоту целым}

3: Hz:=Hz; {числом герц}

4: Hz:=Hz*2;

5: Hz:=Hz*4;

6: Hz:=Hz*8;

else WriteLn('Такой октавы не знаю'); ReadLn; Halt

end;

 

Sound (Hz); {Включаем звук}

Delay(10000 div Dolya); {Задаем пpодолжительность звука}

NoSound;

Delay (50); {Небольшой промежуток тишины после каждой ноты}

END;

BEGIN

{Вот первые ноты из песни “Широка страна моя родная”:}

Nota(re,3,8); Nota(re,3,16); Nota(re,4,4); Nota(re,4,8); Nota(re,4,8); Nota(doo,4,8);

Nota(la_diez,3,8); Nota(la,3,8); Nota(sol,3,4); Nota(re,3,4)

END.

 

Фактические параметры могут быть любыми выражениями подходящего типа. Например, вместо Nota(re,3,8) можно было бы написать a:=3; Nota(re, a, 11-a).

Задание 119: В модуле Graph не хватает процедуры, которая рисовала бы треугольник. Создайте такую процедуру. Она должна рисовать примерно равносторонний треугольник вершиной вверх и иметь три параметра: положение треугольника на экране и размер.

Функции

В 4.9 мы с вами уже сталкивались со стандартными функциями. Например, выражение 10+Sqr(3) имеет значение 19, так как функция Sqr(3) обозначает 32.

Вы можете создавать собственные функции. Предположим, вам часто приходится вычислять периметры прямоугольников. Тогда вам было бы удобно иметь функцию perimetr(10,4), которая имела бы значение периметра прямоугольника со сторонами 10 и 4. Рассмотрим, как это делается, на примере программы вычисления суммарной длины забора вокруг трех несоприкасающихся прямоугольных дворов:

FUNCTION perimetr(dlina,shirina:Word): Integer;

BEGIN perimetr:=2*(dlina+shirina) END;

BEGIN

WriteLn(perimetr(10,4)+ perimetr(20,30)+ perimetr(3,8));

END.

Функцииочень похожи на процедуры. Но функция в отличие от процедуры обладает некоторыми свойствами переменной величины и поэтому описание функции отличается от описания процедуры следующими двумя вещами:

· В заголовке функции после скобок с формальными параметрами должен быть указан тип функции (у нас это Integer).

· Внутри описания функции между BEGIN и END ей хотя бы раз должно быть присвоено какое-нибудь значение (у нас это perimetr:=2*(dlina+shirina)).

 

Рассмотрим более сложный пример. Вспомним задачу из 12.3 о среднегодовой температуре, где исходными данными является массив из 365 значений температуры. Попробуем узнать, в январе (дни 1-31) или в декабре (дни 335-365) самый теплый день месяца был теплее. Мы можем предвидеть, что для вычисления понадобятся два похожих фрагмента программы, каждый длиной строчки по три-четыре. Чтобы не писать два раза похожие фрагменты, создадим функцию нахождения максимального элемента из заданного диапазона массива температур. Назовем ее max. Используя ее, мы можем в программе записать, например, так: u:=max(20,30), подразумевая, что переменной u должно быть присвоено значение максимального элемента массива температур, выбирая из элементов с 20-го по 30-й. Вот программа:

VAR t: array [1..365] of Integer; { t - массив температур за год}

FUNCTION max (perv,posledn:Word):Integer;

VAR i,m:Integer;

BEGIN

m:=t[perv];

for i:=perv+1 to posledn do if t[i]>m then m:=t[i];

max:=m

END;

BEGIN

........ {Здесь присваиваем значения элементам массива температур}

if max(1,31)>max(335,365) then WriteLn(‘В январе’) else WriteLn(‘В декабре’);

END.

Задание 120: В Паскале не хватает функции для вычисления произвольной целой степени числа. Создайте функцию Power такого смысла: Power(2,3) должна иметь значение 23, то есть 8.

Задание 121: Если вы никак не можете смириться с системой координат графического режима, то напишите пару простеньких функций (например, с именами x и y), которые позволят вам считать, что отныне ось yнаправлена вверх, а центр координат расположен в центре экрана. Если вы правильно напишете эти функции, то, например, оператор Circle (x(310), y(230), 10) нарисует вам кружочек в правом верхнем углу экрана.