Tipos de Dados em Linguagens de Programação

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GCC 105 – LINGUAGENS DE 
PROGRAMAÇÃO I
AULA 3 – Tipos de Dados
1º Semestre de 2015
Prof. Janderson Rodrigo de Oliveira
Universidade Federal de Lavras
Departamento de Ciência da Computação
Introdução
• Um tipo de dado define uma coleção de valores de dados e 
um conjunto de operações pré-definidas sobre eles.
• É crucial uma linguagem oferecer suporte para uma coleção 
apropriada de tipos e estruturas de dados.
• Nas primeiras linguagens, todas as estruturas de dados do 
espaço do problemas tinham de ser modeladas com apenas 
poucas estruturas de dados suportadas pela linguagem 
(Fortran pré-90).
Introdução
• COBOL foi a primeira linguagem a permitir que 
programadores especificassem a precisão dos valores de 
dados decimais.
• Uma abordagem melhor, introduzida no ALGOL 68, é fornecer 
alguns tipos básicos e operadores de definição de estrutura 
flexíveis que permitem a um programador projetar uma 
estrutura de dados para cada necessidade.
Introdução
• Vantagens dos tipos definidos pelo usuário:
– fornecem uma legibilidade melhorada, por meio de nomes 
significativos para os tipos;
– permitem a verificação de tipos de variáveis de uma categoria 
especial de uso;
– ajudam na facilidade de fazer modificações - é possível 
modificar o tipo de uma categoria de variáveis em um programa 
trocando apenas uma sentença de definição de tipo.
Introdução
• Levando o conceito de tipo definido pelo usuário adiante, 
tem-se os tipos abstratos de dados (TAD).
• Tipos abstratos de dados são suportados pela maioria das 
linguagens de programação projetadas desde a metade dos 
anos 1980.
• Ideia do TAD: a interface de um tipo é separada da 
representação e do conjunto de operações sobre valores 
desse tipo.
Introdução
• Existem diversos usos do sistema de tipos de uma linguagem:
– Detecção de erros;
– Assistência à modularização de programas – verificação de tipos 
em diferentes módulos, o que garante a consistência das 
interfaces entre eles;
– Documentação – as declarações de tipo em um programa 
documentam informação sobre seus dados e fornecem 
diretrizes sobre o comportamento de uma programa.
Introdução
• O sistema de tipos de uma linguagem de programação define 
como um tipo é associado com cada expressão na linguagem 
e inclui suas regras para equivalência e compatibilidade de 
tipos.
• Os dois tipos de dados estruturados (não escalares) são as 
matrizes e os registros.
• Os tipos de dados estruturados são definidos por meio de 
operadores de tipos, usados para formas expressões de tipos. 
Em C, usa-se colchetes e asteriscos como operadores de tipos 
para especificar matrizes e ponteiros.
Tipos de Dados Primitivos
• Tipos de dados não definidos em termos de outros são 
chamados tipos de dados primitivos.
• Os tipos de dados primitivos de uma linguagem são usados, 
com um ou mais construtores de tipo, para fornecer os tipos 
estruturados.
• Tipos de dados primitivos
– Tipos numéricos;
– Tipos booleanos;
– Caracteres.
Tipos Numéricos
• Inteiro
– Tipo de dado primitivo numérico mais comum.
– Computadores suportam diversos tamanho de inteiros (Java inclui 
quatro tamanhos inteiros com sinal: byte, short, int e long).
– Algumas linguagens incluem tipos inteiros sem sinal (C++ e C#).
– Um valor inteiro com sinal é representado em um computador como 
uma cadeia de bits, com um dos bits (normalmente o mais à 
esquerda) representando o sinal.
Tipos Numéricos
• Ponto flutuante
– Tipos de dados de ponto flutuante modelam números reais, 
mas as representações são apenas aproximações para muitos 
valores reais. 
– Por exemplo, é impossível representar pi em um qualquer 
espaço finito.
– Outro problema com tipos ponto flutuante é a perda de 
precisão por meio de operações aritméticas.
Tipos Numéricos
• Ponto flutuante
– Valores de ponto flutuante são representados como frações 
expoentes, uma forma emprestada da notação científica.
– A maioria das linguagens inclui dois tipos de ponto flutuante, 
chamados de float e double.
– O tipo float é o tamanho padrão e, normalmente é armazenado 
em quatro bytes de memória.
Tipos Numéricos
• Ponto flutuante
– Variáveis de precisão dubla normalmente ocupam o dobro de 
espaço de armazenamento das variáveis float e fornecem ao 
menos o dobro do número de bits de fração.
– A coleção de valores que podem ser representados por um tipo 
ponto flutuante é definida em termos de precisão e faixa.
• Precisão: exatidão da parte fracionária.
• Faixa: combinação da faixa de frações e de exponentes.
Tipos Numéricos
• Ponto flutuante – Formato IEEE Floating-Point Standard 754
Tipos Numéricos
• Complexo
– Algumas linguagens suportam um tipo de dados complexo 
(Fortran e Python).
– Valores complexos são representados como pares ordenados de 
valores de ponto flutuante.
– Em Python a parte imaginária de um literal complexo é 
especificada por um j ou J. Por exemplo: (7 + 3j).
– Linguagens que suportam este tipo de dado incluem operações 
para aritmética em valores complexos.
Tipos Numéricos
• Decimal
– Tipos de dados decimais armazenam um número fixo de dígitos 
decimais, com o ponto decimal em uma posição fixa no valor.
– Exemplos de linguagens que apresentam o tipo decimal: COBOL 
e C#.
– Tipos decimais têm a vantagem de serem capazes de armazenar 
precisamente valores decimais. Sua desvantagem é que estes 
valores estão dentro de uma faixa restrita.
Tipos Booleanos
• A faixa de valores dos tipos booleanos possuem apenas dois 
elementos: um para verdadeiro e outro para falso.
• Foram introduzidos em ALGOL 60 e incluídos na maioria das 
linguagens de propósito geral projetadas desde 1960.
• Exceção: C89, no qual expressões numéricas são usadas como 
condicionais.
– Todos os valores diferentes de zero são considerados 
verdadeiros e zero é considerado falso.
– O C99 e C++ possuem o tipo booleano, mas também permitem 
a utilização de expressões numéricas como se fossem 
booleanas.
Tipos Booleanos
• Tipos booleanos são geralmente usados para representar 
escolhas ou como flags em programas.
• Apesar de outros tipos, como inteiros, poderem ser usados 
para tais propósitos, o uso de tipos booleanos é mais legível.
• Usualmente, valores booleanos são armazenados na menor 
célula de memória eficientemente endereçável, um byte.
Caracteres
• Dados na forma de caracteres são armazenados nos 
computadores como codificações numéricas.
• Tradicionalmente, a codificação mais usada era o ASCII 
(American Standard Code for Information Interchange) de 8 
bits. 
– Utiliza valores de 0 a 127 para codificar 128 caracteres 
diferentes.
• Por causa da globalização dos negócios e da conectividade 
entre os computadores pelo mundo, o ASCII se tornou 
inadequado.
Caracteres
• Em 1991, o Consórcio Unicode publicou o padrão UCS-2, um 
conjunto de caracteres de 16 bits.
• Essa codificação é geralmente chamada Unicode, incluindo os 
caracteres da maioria das linguagens naturais do mundo.
• Algumas linguagens que adotaram o Unicode: Java, JavaScript, 
Python, Perl e C#.
Tipos Ordinais Definidos pelo Usuário
• Um tipo ordinal é um no qual a faixa de valores possíveis pode 
ser facilmente associada com o conjunto dos inteiros 
positivos.
• Em Java, por exemplo, os tipos ordinais primitivos são integer, 
char e boolean.
• Existem dois tipos ordinais definidos pelo usuário:
– Tipos enumeração – todos os valores possíveis são fornecidos, 
ou enumerados, na definição;
– Tipos subfaixa – subsequência contígua de um tipo ordinal 
(nenhuma linguagem contemporânea, exceto Ada 95, possui 
tipos subfaixa).
Tipos Enumeração
• Tipos enumeração fornecem uma maneira de definir e 
agrupar coleçõesde constantes nomeadas, chamadas de 
constantes de enumeração.
• Exemplo em C#:
• Constantes de enumeração são preenchidas implicitamente 
por atribuições de valores inteiros.
enum days {Seg, Ter, Qua, Qui, Sex, Sab, Dom};
Tipos Enumeração
• Em linguagens que não têm tipos enumeração, os 
programadores normalmente simulam enumerações usando 
valores inteiros.
• Exemplo em C:
• Problemas com esta abordagem:
– Não definiu-se um tipo para as cores;
– Não há como existir uma verificação de tipos;
int vermelho = 0, azul = 1;
Tipos Enumeração
• C e Pascal foram as primeiras linguagens amplamente usadas 
a incluírem tipos enumeração. C++ inclui os tipos enumeração 
de C.
• Exemplo em C++:
• Os valores de enumeração são convertidos para int quando 
inseridos em um contexto inteiro. Isso permite seu uso em 
qualquer expressão numérica.
enum cores {vermelho, azul, verde, amarelo, preto};
cores minhaCor = azul, suaCor = vermelho;
Tipos Enumeração
• Um tipo enumeração foi adicionado à linguagem Java em sua 
versão 5.0, em 2004. Todos os tipos enumeração em Java são 
subclasses implícitas da classe pré-definida Enum.
• Tipos enumeração em C# nunca são convertidos para inteiros.
• Tipos enumeração fornecem vantagens tanto em relação à 
legibilidade quanto à confiabilidade.
– Nenhuma variável de enumeração pode ter um valor atribuído a 
ela fora de sua faixa definida.
Matrizes
• Uma matriz é um agregado homogêneo de elementos de 
dados no qual um elemento individual é identificado por sua 
posição na agregação, relativamente ao primeiro elemento.
• Na maioria das linguagens, como C, C++, Java, Ada e C#, todos 
os elementos de uma matriz precisam ser do mesmo tipo. 
• Os elementos de dados individuais de uma matriz são 
especificados usando expressões de índices.
Matrizes e Índices
• Elementos específicos de uma matriz são referenciados por 
meio de um mecanismo sintático de dois níveis:
– Primeiro nível: nome agregado;
– Segundo nível: seletor possivelmente dinâmico que consiste de 
um ou mais itens conhecidos como índices ou subscritos.
• A operação de seleção pode ser pensada como um mapeamento do 
nome de uma matriz e o conjunto de valores de índices para um 
elemento no agregado.
Matrizes e Índices
• Simbolicamente, esse mapeamento pode ser mostrado como:
nome_matriz(lista_valores_índices) → elemento
• O nome da matriz é seguido por uma lista de índices, envoltos 
ou em parênteses ou em colchetes.
• Nas matrizes multidimensionais, cada índice aparece em seu 
próprio colchete.
Matrizes e Índices
• Dois tipos distintos estão envolvidos em um tipo matriz: o do 
elemento e o do índice.
• O tipo dos índices é normalmente uma subfaixa de inteiros.
– Algumas linguagens permitem que qualquer tipo ordinal seja 
usado como índice, por exemplo: Ada.
• As primeiras linguagens de programação não especificavam 
que as faixas de índices deveriam ser verificadas. 
– Erros de faixas em índices são comuns em programas 
(confiabilidade).
– A maioria das linguagens contemporâneas NÃO faz verificação 
de faixas. 
Vinculações de Índices
• É possível referenciar um elemento de uma matriz em Perl 
com um índice negativo – o valor do índice é um 
deslocamento a partir do fim da matriz.
• A vinculação do tipo do índice a uma variável matriz é 
normalmente estática, mas a faixa de valores do índice pode 
ser vinculada dinamicamente em algumas linguagens.
• Em muitas linguagens, o limite inferior da faixa de índices é 
implícito. 
– Baseadas em C, o limite inferior é fixado em 0;
– Em Fortran 95, é padronizada em 1.
Vinculações de Índices
• Existem diversas categorias de matrizes, baseadas:
1. Na vinculação das faixas de índices;
2. Na vinculação ao armazenamento;
3. A partir de onde o armazenamento é alocado.
• Quando a faixa de índices são fixas, a matriz não pode 
modificar seu tamanho.
Inicialização de Matrizes
• Algumas linguagens fornecem meios para inicializar matrizes 
no momento em que seu armazenamento é alocado.
• Exemplo em C:
• Neste caso, o compilador define o tamanho da matriz. Custo 
da abordagem: remove a possibilidade do sistema de detectar 
alguns tipos de erros, como deixar um valor de fora da lista 
por engano.
int lista[] = {4, 5, 7, 83};
Inicialização de Matrizes
• Cadeias de caracteres em C e C++ são implementadas como 
matrizes de char.
• Matrizes de cadeias em C e C++ também podem ser 
inicializadas como literais do tipo cadeia.
• Correspondente em Java:
char nome[] = “Maria”;
char *nomes[] = {“Maria”, “Jose”, “Joao”};
String[] nomes = {“Maria”, “Jose”, “Joao”};
Operações de Matrizes
• Uma operação de matriz atua nesta como uma unidade.
• As mais comuns são a atribuição, a concatenação, a 
comparação por igualdade e diferença.
• Linguagens baseadas em C não fornecem operações de 
matrizes, exceto por meio de métodos e Java, C++ e C#.
• Perl oferece suporte à atribuição de matrizes, mas não para 
comparações.
Operações de Matrizes
• Ada permite atribuição de matrizes e concatenação, esta 
última especificada pelo símbolo &. 
• Praticamente todos os tipos em Ada têm operadores 
relacionais próprios para igualdade e diferença.
• Python fornece atribuição de matrizes, operações para 
concatenação de matrizes (+) e para verificar se um elemento 
pertence à matriz (in). Além de operadores para igualdade de 
matrizes.
Implementação de Matrizes
• Uma matriz de uma dimensão é implementada como uma 
lista de células de memórias adjacentes.
• Suponha que lista seja definida como tendo um limite inferior 
para a faixa de índices de valor 0. A função de acesso para 
lista é geralmente construída da seguinte forma:
endereço(lista[k]) = endereço(lista[0]) + k*tamanho_do_elemento
onde:
• 1º operando: parte constante da função de acesso;
• 2º operado: parte variável.
Implementação de Matrizes
• A generalização dessa função de acesso para um limite 
inferior arbitrário é :
endereço(lista[k]) = endereço(lista[limite_inferior]) + ((k –
limite_inferior)*tamanho_do_elemento)
• Matrizes multidimensionais são mais complexas de 
implementar do que as de uma dimensão.
• A memória em hardware é linear. Então, valores de tipos de 
dados que têm duas ou mais dimensões devem ser mapeados 
para a memória de uma única dimensão.
Implementação de Matrizes
• Existem duas formas pelas quais matrizes multidimensionais 
podem ser mapeadas para uma dimensão:
– Ordem principal de linha – a matriz é armazenada pelas linhas;
– Ordem principal de coluna – a matriz é armazenada pelas 
colunas.
• Por exemplo, considere uma matriz 3x3.
Linha 1
Linha 2
Linha 3
Implementação de Matrizes
• Pela ordem principal de linha, o computador enxerga esta 
matriz 3 x 3 como um arranjo de 9 posições contíguas na 
forma:
• Em contrapartida, pela ordem principal de coluna, o 
mapeamento seria realizado segundo as colunas (1ª coluna, 
2ª coluna e 3ª coluna).
Linha 1 Linha 2 Linha 3
Implementação de Matrizes
• A ordem principal de coluna é usada no Fortran, mas a 
maioria das linguagens que têm matrizes multidimensionais 
usam a ordem principal de linhas.
• O acesso sequencial aos elementos da matriz será mais rápido 
se eles forem acessados na ordem em que foram 
armazenados, porque isso resultará em uma melhor 
localidade de memória.
• A função de acesso para uma matriz multidimensional é o 
mapeamento de seu endereço base e um conjunto de valores 
de índices para o endereço de memória do elemento 
especificado pelos valores de índices.
Implementação de Matrizes
• Assumindo uma matriz bidimensional em ordem principal de 
linha, cujos limites inferiores dos índices sejam iguais a um, a 
função de acesso pode serescrita como:
endereço(a[i,j]) = endereço(a[1,1]) + ((((número de linhas acima da i-
ésima linha) * (tamanho_de_uma_linha)) + (número de elementos à 
esquerda da j-ésima coluna)) * (tamanho_do_elemento)
• Desenvolvendo:
endereço(a[i,j]) = endereço(a[1,1]) – ((n + 1) * tamanho_do_elemento) 
+ ((i * n + j) * tamanho_do_elemento)
em que, n é a quantidade de colunas da matriz.
Implementação de Matrizes
• A generalização para limites inferiores arbitrários resulta na 
seguinte função de acesso:
endereço(a[i,j]) = endereço(a[li_linha,li_col]) – (((li_linha * n) + li_col) * 
tamanho_do_elemento) + ((i * n + j) * tamanho_do_elemento)
em que:
– n: número de colunas da matriz;
– li_lin: limite inferior das linhas;
– li_col: limite inferior das colunas.
Registros
• Um registro é um agregado de elementos de dados no qual os 
elementos individuais são identificados por nomes e 
acessados por meio de deslocamentos a partir do início da 
estrutura.
• Os registros têm sido parte de todas as linguagens de 
programação mais populares, exceto pelas versões anteriores 
ao Fortran 90.
• Em C, C++ e C#, os registros são suportados por meio do tipo 
de dados struct.
Registros
• Os elementos de um registro são de tamanhos 
potencialmente diferentes e residem em posições de 
memórias adjacentes.
• A diferença fundamental entre um registro e uma matriz é 
que elementos de registro, ou campos, não são referenciados 
por índice.
• Em vez disso, os campos são nomeados com identificadores.
Registros
• Referências aos campos individuais dos registros são 
especificadas sintaticamente por métodos distintos, um dos 
métodos mais tradicionais é nomear o campo desejado e o 
registro que o envolve.
• A maioria das linguagens usa notações por pontos para 
referências a campos, onde os componentes da referência são 
conectados por pontos.
– Ordem da notação: nome do maior registro que envolve os 
outros primeiro e o nome do campo por último.
• C e C++ usam essa sintaxe. Fortran 95 substitui os pontos por 
sinais de percentual (%).
Registros
• A atribuição é uma operação comum em registros. Na maioria 
dos casos, os tipos dos dois lados devem ser idênticos.
• Ada permite comparações entre registros para igualdade e 
diferença.
• Registros e matrizes são fortemente relacionados com formas 
estruturais e é interessante compará-los.
Registros
• Matrizes
– Todos os valores de dados têm o mesmo tipo e/ou são 
processados da mesma forma.
• Registros
– A coleção de valores é heterogênea e os campos diferentes não 
são processadas da mesma maneira.
– Os campos de um registro normalmente não precisam ser 
processados em uma ordem em particular.
– Nomes dos campos são como índices literais e fornecem um 
acesso muito eficiente aos campos.