4. Динамические структуры

В вычислительной машине программы обычно оперируют с табли­цами информации. В большинстве случаев это не просто аморфные массы числовых величин: в таблицах присутствуют важные струк­турные отношения между элементами данных. В простейшей форме таблица может быть линейным списком элементов. Тогда присущие ей структурные свойства содержат в себе ответы на такие вопросы, как: "Какой элемент является первым в списке? какой — последним? какой элемент предшествует данному или следует за данным?" Можно много говорить о структуре даже в этом совершенно очевидном случае.

В более сложных ситуациях таблица может быть двумерным массивом (т. е. матрицей, имеющей структуру строк и столбцов), либо может быть n-мерным массивом при весьма больших значениях n, либо она может иметь структуру дерева, представляющего отношения иерархии или ветвления, либо это может быть сложная многосвязная структура с огром­ным множеством взаимных соединений, такая, например, которую можно найти в человеческом мозгу. Чтобы правильно использовать машину, важно добиться хороше­го понимания структурных отношений, существующих между дан­ными, способов представления таких структур в машине и методов работы с ними.

В настоящей главе кратко рассматриваются наиболее важные факты, касающиеся информационных структур:

- статические и ди­намические свойства разного рода структур;

- средства распределения памяти и представления структурных данных;

- эффективные алгоритмы для создания, изменения, разрушения структурной ин­формации и доступа к ней.

Структуры будут нас интересовать не только с точки зрения внешнего, но и их внутреннего представления в машине. Мы увидим, что нет ничего мистического или трудного в методах работы со сложными структурами; эти методы являются важной частью репертуара каждого программиста, и он легко может ими воспользоваться, программируя на различных языках. Обычно в данных присутствует значительно больше структурной информации, чем мы хотим непосредственно представить в маши­не. Можно себе представить, что такая структурная информация была бы уместна в некоторых машинных приложениях, но, очевидно, нам никогда не придется в каждой из ситуаций хранить о структуре все, что существует. Из сказанного ясно, что в каждом конкретном случае мы должны решить, насколько подробно в наших данных должна быть пред­ставлена структура и как организовать доступ к любой части ин­формации. Чтобы принять такое решение, необходимо знать, какие операции будут выполняться с данными. Вот почему в этой главе в связи с каждой задачей мы будем рассматривать не только струк­туру данных, но и класс операций, которые выполняются с этими данными; разработка машинного представления в равной мере определяется требуемыми функциями от данных и присущими им свойствами. Вообще в задачах прием проектирования такое выделение "функции" наравне с "формой" является основополагающим.

4.1. Данные динамической структуры

Между объектами реального мира, поведение которых моделируют программы, существуют разнообразные, постоянно меняющиеся связи. Одни объекты могут исчезнуть, другие — появиться. Так, люди рождаются и умирают, порывают с кем-то из старых друзей и заводят новых. Ясно, что, если в программе мы хотим моделировать группы с переменным числом объектов, связи между которыми подвержены изменениям, нужны языковые средства для установления, изменения и разрыва связей между отдельными объектами, а также для порождения и уничтожения объектов. Для этой цели в Паскале

Табл. 5.1. Работа со статическими и несвязанными динамическими данными.
Структура данных	Обычные переменные	Динамические переменные
1. Простая переменная	Var x :Char; y: Integer; Begin x := ’*’; y := 3; End.	Var px :^Char; py :^Integer; Begin New(px); New(py); px^ := ‘*’; py^ := 3; …… Dispose(px); Dispose(py); End.
2. Массив	Var x :Array[1..3]Of Byte; i :Byte; Begin For i:=1 to 3 Do Read(x[i]); …… End;	Var px :^Array[1..3]Of Byte; i :Byte; Begin New(px); For i:=1 to 3 Do Read(px^[i]); …… Dispose(px); End;
3. Запись	Var x :Record a :Char; b :Byte; End; Begin x .a := ‘*’; x .b := 3; …… End.	Var px :^Record a :Char; b :Byte; End; Begin New(px); px^ .a := ‘*’; px^ .b := 3; …… Dispose(px); End.

динамические переменные и указатели. Классификация данных динамической структуры показана на рис.4.1.

Несвязанные динамические данные классифицируются точно также, как и статические и работа с ними выполняется аналогично. Динамические свойства несвязанных динамических данных выражаются только в том, что они могут «появляться» и «исчезать» во время работы программы. Отличия использования таких данных заключаются в двух аспектах:

• в разделе Var объявляется не переменная требуемого типа, а указатель на этот тип;

• перед использованием необходимо вызвать процедуру New, а после использования – процедуру Dispose.

В качестве примера приведена таблица 5.1. сравнения работы с аналогичными статическими и несвязанными динамическими данными.

Программированию с использованием несвязанных данных посвящена многочисленная учебная литература (например, по языкам высокого уровня), поэтому основное внимание в дальнейшем будет уделено связанным динамическим данным. Связанные динамические данные характеризуются высокой гибкостью создания структур данных различной конфигурации. Это достигается благодаря возможности выделять и освобождать память под элементы в любой момент времени работы программы и возможности установить связь между любыми двумя элементами с помощью указателей.