Использование массивов в программировании

Массив -- это пронумерованная последовательность величин одинакового типа, обозначаемая одним именем. Элементы массива располагаются в последовательных ячейках памяти, обозначаются именем массива и индексом. Каждое из значений, составляющих массив, называется его компонентой (или элементом массива).

Массив данных в программе рассматривается как переменная структурированного типа. Массиву присваивается имя, посредством которого можно ссылаться как на массив данных в целом, так и на любую из его компонент.

Вообще, массив - однородный, упорядоченный структурированный тип данных с прямым доступом к элементам.

Переменные, представляющие компоненты массивов, называются переменными с индексами в отличие от простых переменных, представляющих в программе элементарные данные. Индекс в обозначении компонент массивов может быть константой, переменной или выражением порядкового типа (целочисленный, логический, символьный, перечислимый, диапазон).

Если за каждым элементом массива закреплен только один его порядковый номер, то такой массив называется линейным. Вообще количество индексов элементов массива определяет размерность массива. По этом признаку массивы делятся на одномерные (линейные), двумерные, трёхмерные и т.д.

Пример: числовая последовательность четных натуральных чисел 2, 4, 6, ..., N представляет собой линейный массив, элементы которого можно обозначить А[1]=2, А[2]=4, А[3]=6, ..., А[К]=2*(К+1), где К -- номер элемента, а 2, 4, 6, ..., N -- значения. Индекс (порядковый номер элемента) записывается в квадратных скобках после имени массива.

Например, A[7] -- седьмой элемент массива А; D[6] -- шестой элемент массива D.

Для размещения массива в памяти ЭВМ отводится поле памяти, размер которого определяется типом, длиной и количеством компонент массива. В языке Pascal эта информация задается в разделе описаний. Массив описывается так:

имя массива : Array [тип индекса] Of базовый тип;

Чаще всего типом индекса является диапазон. Например,

Var B : Array [1..5] Of Real, R : Array [1..34] Of Char;

-- описывается массив В, состоящий из 5 элементов и символьный массив R, состоящий из 34 элементов. Для массива В будет выделено 5*6=30 байт памяти, для массива R -- 1*34=34 байта памяти.

Базовый тип элементов массива может быть любым простым или структурированным, за исключением файлового.

Кроме того, массив можно объявить с использованием собственного типа:

Type mas = array[1..100] of integer;

mas_ = array[1..50] of real;

Var a, b: mas;

R: mas_;

Заполнить массив можно следующим образом:

1) с помощью оператора присваивания. Этот способ заполнения элементов массива особенно удобен, когда между элементами существует какая-либо зависимость, например, арифметическая или геометрическая прогрессии, или элементы связаны между собой реккурентным соотношением.

При работе с массивами целесообразно использовать процедуры и функции. Вот типовые процедуры:

Type mas = array[1..100] of LongInt;

{Заполнение массива с помощью ввода с клавиатуры}

Procedure Vvod_Kl(var n: byte; var a: mas);

Var i: byte;

Begin

Write(`Количество элементов?'); Readln(n);

For i := 1 to n do

Begin

write(i, `-й элемент'); readln(a[i])

End

End;

{Заполнение массива случайными данными}

Procedure Vvod_Sl(var n: byte; var a: mas);

Var i: byte;

Begin

Write(`Количество элементов?'); Readln(n);

For i := 1 to n do

a[i] := -1000+random(2001)

End;

{Вывод массива}

Procedure Print(n: byte; const a: mas);

Var i: byte;

Begin

For i := 1 to n do

write(a[i] :8);

writeln

End;

Линейным массивом можно обозначить, например, оценки учеников класса. Каждая оценка является значением элемента массива оценок "A" и имеет порядковый номер (индекс). В Турбо-Паскале значение индекса указывается в квадратных скобках после имени массива. Можно создать массив фамилий "S" учеников класса. Значением элемента массива будет фамилия ученика, а индексом - порядковый номер по списку. Пусть дан список фамилий учеников и их оценки:

№ Фамилии Оценки

1 Иванов 5

2 Петров 4

3 Сидоров 5

4 Титов 5

... ... ...

30 Якупов 4

Описание массивов:

Var A : array[1..30] of byte;

S : array[1..30] of string; {или}

SO: array[1..30] of string[12];

Присвоение значений элементам массива:

"A" - A[1]:= 5; A[2]:= 4; и т. д.

"S " - S[1]:= 'Иванов'; S[2]:= 'Петров'; и т. д.

Приведем таблицу обозначений и соответствия элементам массива, их значений и индексов:

Номер элемента индекса 1 2 3 4 1 30

Элементы массива "S" S[ 1 ] S[ 2 ] S[ 3 ] S[ 4 ] S[ i ] S[ 30 ]

Значения элементов Иванов Петров Сидоров Титов ... Якупов

Элементы массива "A" A[ 1 ] A[ 2 ] A[ 3 ] A[ 4 ] A[ i ] A[ 30 ]

Значения элементов 5 4 5 5 ... 4

Если известна зависимость, по которой изменяются значения элементов массива, то присвоение значений удобно проводить в операторах цикла c параметром или с условием. Например, присвоим значения элементам массива "y" по зависимости: y=sin(x), где x= Pi * i/180, 0<= i <=180.

For i:= 0 to 180 Do y[i]:= sin(Pi * i/180);

Присвоим случайные значения в диапазоне от -30 до +40 ста элементам массива "R":

Randomize;

for i:= 1 to 100 Do R[i]:= - 30 + Random(71);

Присвоим значения семи элементам массива "A" оператором Readln:

For i:= 1 to 7 Do

begin

Write('Введите A[',i,']= ');

Readln(A[i]);

end;

При выводе массива на экран удобно размещать данные в виде таблицы - в несколько колонок. Для вывода обозначений переменных ("шапки таблицы") можно использовать операторы вывода символов в цикле, например:

For j:=1 to 66 do Write('-'); Writeln;

For j:=1 to 3 do Write('| Фамилия | оценка |'); Writeln;

For j:=1 to 66 do Write('-'); Writeln;

- шапка для вывода в три пары колонок значений переменных "S" и "A". Шапка занимает 66 позиций (по ширине экрана в текстовом режиме размещается 79 символов и пробел). Оператор Writeln; переводит курсор на новую строчку.

Вывод значений ста элементов массивов "S" и "A" в три пары колонок, произведем операторами:

For i:= 1 to 100 do

begin

Write('|', s[i]:11,'|', a[i]:8, '|');

if (i mod 3) = 0 Then Writeln;

if (i mod 60) = 0 then Readln;

end;

При решении практических задач часто приходится иметь дело с различными таблицами данных, математическим эквивалентом которых служат матрицы. Такой способ организации данных, при котором каждый элемент определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых он расположен, называется двумерным массивом или таблицей.

Например, данные о планетах Солнечной системы представлены следующей таблицей:

Таблица 1 - Данные о планетах Солнечной системы

Планета	Расст. до Солнца	Относ. обьем	Относ. масса
Меркурий	57.9	0.06	0.05
Венера	108.2	0.92	0.81
Земля	149.6	1.00	1.00
Марс	227.9	0.15	0.11
Юпитер	978.3	1345.00	318.40
Сатурн	1429.3	767.00	95.20

Их можно занести в память компьютера, используя понятие двумерного массива. Положение элемента в массиве определяется двумя индексами. Они показывают номер строки и номер столбца. Индексы разделяются запятой. Например: A[7, 6], D[56, 47].

Заполняется двумерный массив аналогично одномерному: с клавиатуры, с помощью оператора присваивания. Например, в результате выполнения программы:

Program Vvod2;

Var I, J : Integer;

A : Array [1..20, 1..20] Of Integer;

Begin

FOR I := 1 TO 3 DO

FOR J := 1 TO 2 DO A[I, J] := 456 + I

End.

элементы массива примут значения A[1, 1] = 457; A[1, 2] = 457; A[2, 1] = 458; A[2, 2] = 458; A[3, 1] = 459; A[3, 2] = 459.

При описании массива задается требуемый объем памяти под двумерный массив, указываются имя массива и в квадратных скобках диапазоны изменения индексов.

При выполнении инженерных и математических расчетов часто используются переменные более чем с двумя индексами. При решении задач на ЭВМ такие переменные представляются как компоненты соответственно трех-, четырехмерных массивов и т.д.

Однако описание массива в виде многомерной структуры делается лишь из соображений удобства программирования как результат стремления наиболее точно воспроизвести в программе объективно существующие связи между элементами данных решаемой задачи. Что же касается образа массива в памяти ЭВМ, то как одномерные, так и многомерные массивы хранятся в виде линейной последовательности своих компонент, и принципиальной разницы между одномерными и многомерными массивами в памяти ЭВМ нет. Однако порядок, в котором запоминаются элементы многомерных массивов, важно себе представлять. В большинстве алгоритмических языков реализуется общее правило, устанавливающее порядок хранения в памяти элементов массивов: элементы многомерных массивов хранятся в памяти в последовательности, соответствующей более частому изменению младших индексов.

Самой распространенной структурой, реализованной практически во всех языках программирования, является массив.

Массивы состоят из ограниченного числа компонент, причем все компоненты массива имеют один и тот же тип, называемый базовым. Структура массива всегда однородна. Массив может состоять из элементов типа integer , real или char , либо других однотипных элементов. Из этого, правда, не следует делать вывод, что компоненты массива могут иметь только скалярный тип.

Другая особенность массива состоит в том, что к любой его компоненте можно обращаться произвольным образом. Что это значит? Программа может сразу получить нужный ей элемент по его порядковому номеру (индексу).

Индекс массива. Номер элемента массива называется индексом. Индекс - это значение порядкового типа, определенного, как тип индекса данного массива. Очень часто это целочисленный тип ( integer , word или byte ), но может быть и логический и символьный.

Описание массива в Паскале. В языке Паскаль тип массива задается с использованием специального слова array (англ. - массив), и его объявление в программе выглядит следующим образом:

Type < имя _ типа >= array [ I ] of T;

где I - тип индекса массива, T - тип его элементов.

Можно описывать сразу переменные типа массив, т.е. в разделе описания переменных:

Var a,b: array [ I ] of T;

Обычно тип индекса характеризуется некоторым диапазоном значений любого порядкового типа : I 1 .. I n . Например, индексы могут изменяться в диапазоне 1..20 или ` a '..' n '.

При этом длину массива Паскаля характеризует выражение:

ord ( I n )- ord ( I 1 )+1.

Вот, например, объявление двух типов: vector в виде массива Паскаля из 10 целых чисел и stroka в виде массива из 256 символов:

Type

Vector=array [1..10] of integer;

Stroka=array [0..255] of char;

С помощью индекса массива можно обращаться к отдельным элементам любого массива, как к обычной переменной: можно получать значение этого элемента, отдельно присваивать ему значение, использовать его в выражениях.

Вычисление индекса массива Паскаля. Индекс массива в Паскале не обязательно задавать в явном виде. В качестве индекса массива можно использовать переменную или выражение, соответствующее индексному типу. Иначе говоря, индексы можно вычислять.

Этот механизм - весьма мощное средство программирования. Но он порождает распространенную ошибку: результат вычислений может оказаться за пределами интервала допустимых значений индекса, то есть будет произведена попытка обратиться к элементу, которого не существует. Эта типичная ошибка называется «выход за пределы массива».

Пример программы с ошибкой массива Паскаля

Program primer _ error ;

Type

vector=array [1..80] of word;

var

n: integer;

a: vector;

begin

n:=45;

a[n*2]:=25;

end.

Хотя данная программа полностью соответствует синтаксису языка, и транслятор «пропустит» ее, на стадии выполнения произойдет ошибка выхода за пределы массива Паскаля. При n =45 выражение n *2=90, компьютер сделает попытку обратиться к элементу массива a [90], но такого элемента нет, поскольку описан массив размерностью 80.

Будем считать, что хорошая программа должна выдавать предупреждающее сообщение в случае попытки обращения к несуществующим элементам массива. Не лишним будет проверять возможный выход как за правую, так и за левую границы массива, ведь не исключено, что в результате вычисления значения выражения получится число, находящееся левее границы массива Паскаля.

Из всего этого следует сделать вывод: программисту надо быть очень аккуратным при работе с индексами массива.

Основные действия с массивами Паскаля. Как известно, определение типа данных означает ограничение области допустимых значений, внутреннее представление в ЭВМ, а также набор допустимых операций над данными этого типа. Мы определили тип данных как массив Паскаля. Какие же операции определены над этим типом данных? Единственное действие, которое можно выполнять над массивами целиком, причем только при условии, что массивы однотипны, - это присваивание. Если в программе описаны две переменные одного типа, например,

Var

a , b : array [1..10] of real ;

то можно переменной a присвоить значение переменной b ( a := b ). При этом каждому элементу массива a будет присвоено соответствующее значение из массива b. Все остальные действия над массивами Паскаля производятся поэлементно (это важно!).

Для того чтобы ввести значения элементов массива, необходимо последовательно изменять значение индекса, начиная с первого до последнего, и вводить соответствующий элемент. Для реализации этих действий удобно использовать цикл с заданным числом повторений, т.е. простой арифметический цикл, где параметром цикла будет выступать переменная - индекс массива Паскаля. Значения элементов могут быть введены с клавиатуры или определены с помощью оператора присваивания.

Пример фрагмента программы ввода массива Паскаля

Var

A : array [1..10] of integer ;

I : byte ; {переменная I вводится как индекс массива}

Begin

For i:=1 to 10 do

Readln (a[i]); { ввод i- го элемента производится с клавиатуры }

Рассмотрим теперь случай, когда массив Паскаля заполняется автоматически случайными числами, для этого будем использовать функцию random ( N ).

Пример фрагмента программы заполнения массива Паскаля случайными числами:

Var

A: array [1..10] of integer;

I : byte ; {переменная I вводится как индекс массива}

Begin

For i :=1 to 10 do

A [ i ]:= random (10); { i -му элементу массива присваивается «случайное» целое число в диапазоне от 0 до 10}

Вывод массива Паскаля. Вывод массива в Паскале осуществляется также поэлементно, в цикле, где параметром выступает индекс массива, принимая последовательно все значения от первого до последнего.

Пример фрагмента программы вывода массива Паскаля

Var

A: array [1..10] of integer;

I : byte ; {переменная I вводится как индекс массива}

Begin

For i :=1 to 10 do

Write ( a [ i ],' `); {вывод массива осуществляется в строку, после каждого элемента печатается пробел}

Вывод можно осуществить и в столбик с указанием соответствующего индекса. Но в таком случае нужно учитывать, что при большой размерности массива все элементы могут не поместиться на экране и будет происходить скроллинг, т.е. при заполнении всех строк экрана будет печататься очередной элемент, а верхний смещаться за пределы экрана.

Пример программы вывода массива Паскаля в столбик

Var

A: array [1..10] of integer;

I : byte ; {переменная I вводится как индекс массива}

Begin

For i:=1 to 10 do

Writeln (`a[`, i,']=', a[i]); { вывод элементов массива в столбик }

На экране мы увидим, к примеру, следующие значения:

a [1]=2

a [2]=4

a [3]=1 и т.д.

Пример решения задачи с использованием массивов Паскаля. Задача: даны два n -мерных вектора. Найти сумму этих векторов.

Решение задачи:

· Входными данными в этой задаче будут являться два одномерных массива. Размер этих массивов может быть произвольным, но определенным. Т.е. мы можем описать заведомо большой массив, а в программе определить, сколько элементов реально будет использоваться. Элементы этих массивов могут быть целочисленными. Тогда описание будет выглядеть следующим образом:

var a , b : array [1..100] of integer ;

· Выходными данными будут элементы результирующего массива, назовем его c . Тип результирующего массива также должен быть целочисленным.

· Кроме трех массивов нам потребуется переменная - параметр цикла и индекс массива, назовем ее i , а также переменная n для определения количества элементов в каждом массиве.

Ход решения задачи:

· определим количество элементов (размерность) массивов, введем значение n ;

· введем массив a ;

· введем массив b ;

· в цикле, перебирая значения индекса i от 1 до n , вычислим последовательно значения элементов массива c по формуле: c [ i ]= a [ i ]+ b [ i ];

· выведем на экран полученный массив.

Текст программы:

Пример программы суммирования векторов

Program summa;

Var

a, b, c: array [1..100] of integer;

I, n: byte;

Begin

Write (`введите размерность массивов:');

Readln(n);

For i:=1 to n do

Readln (a[i]); { ввод массива a}

For i:=1 to n do

Readln (b[i]); { ввод массива b}

For i:=1 to n do

C[i]:=a[i]+b[i]; { вычисление суммы массивов }

For i:=1 to n do

write (c[i],' `); { вывод массива с }

end.