位元詩人 [Pascal] 程式設計教學：資料型態 (Data Type)

由 位元詩人 撰寫。最後修改於西元 2020 年 05 月 11 日
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前言

在程式語言中，資料型態 (data type) 規範資料所占用的記憶體大小及合法的操作。主流的程式語言都有資料型態的概念。本文介紹 Pascal 中可見的資料型態。

Pascal 的資料型態

以下是 Pascal 中可見的資料型態：

  • 純量 (scalar)
    • 布林 (boolean)
    • 字元 (character)
    • 整數 (integer)
    • 浮點數 (floating point number)
    • 列舉 (enumeration)
  • 容器 (collection)
    • 陣列 (array)
    • 集合 (set)
  • 複合型態 (compound type)
    • 記錄 (record)
    • 物件 (object) (Object Pascal)
    • 類別 (class) (Object Pascal)
  • 指標 (pointer)
  • 不定型態 (Variant)

純量代表最簡約的 (atomic) 資料型態。這些資料在概念上無法再拆分成更小的單位。Pascal 支援數種在程式語言中常見的基礎資料型態。

容器用來裝載多個相同型態的資料。Pascal 的容器相當靈活，除了用來裝載純量外，也可用來裝載複合型態，甚至組成多維度的容器，像是多維陣列。

複合型態是用來表達純量以外的資料。由於複合型態是由程式設計者自行宣告，使用者有更多的彈性，利用複合型態表達無法以純量表達的概念。原本 Pascal 的複合型態只有記錄，後來在 Object Pascal 新增物件和類別。後兩者是為了在 Pascal 中導入物件導向特性而新增的特性。

指標是為了操作記憶體而設置的語法特性，算是程式設計中特有的概念。由於指標在現實生活中沒有相對應的概念，一開始較不易上手。

在早期的高階語言中，Pascal 的資料型態相當完整。該語言中有關型態的概念影響了許多後來的程式語言。

布林 (Boolean)

布林型態用來表達布林數，其值只有 true 和 false。Pascal 的布林數可再細分為以下數種型態：

  • 預設型態
    • boolean：8 位元
  • 相容於帶號整數
    • boolean8：8 位元
    • boolean16：16 位元
    • boolean32：32 位元
    • boolean64：64 位元 (視系統支援而定)
  • 相容於無號整數
    • bytebool：8 位元
    • wordbool：16 位元
    • longbool：32 位元
    • qwordbool：64 位元 (視系統支援而定)

在一般情形下，使用第一種 boolean 型態來表達布林數即可。後面數種布林型態是為了和 C 相容而設置的。

字元 (Character)

字元型態用來表達單個字母 (letter) 或符號 (symbol)。在 Pascal 中有兩種字元型態：

  • char：8 位元，同 ansichar
  • ansichar：8 位元
  • widechar：16 位元

char (或 ansichar) 使用 ASCII 編碼，適用於純英語環境。而 widechar 以 UTF-16 編碼，用於多國語言文字。

透過以下程式可取得 Pascal 中的字元型態的寬度：

program main;
uses
  SysUtils;

type
  wchar = widechar;

begin
  WriteLn(Format('Size of char: %d', [SizeOf(char)]));
  WriteLn(Format('Size of widechar: %d', [SizeOf(wchar)]));
end.

保留字 type 用來為型態宣告別名 (alias)。可以用領域知識重新為型態命名，讓程式碼更易讀。在本範例中，wchar 是 widechar 的別名。

整數 (Integer)

整數型態用來表達整數。在 Pascal 中的整數型態可依是否有帶正負號分為兩大類：

  • 無號整數 (unsigned integer)
    • cardinal：16 位元或 32 位元，依系統而定
    • byte：8 位元
    • word：16 位元
    • longword：32 位元
    • qword：64 位元 (視系統支援而定)
  • 帶號整數 (signed integer)
    • integer：16 位元或 32 位元，依系統而定
    • shortint：8 位元
    • smallint：16 位元
    • longint：32 位元
    • int64：64 位元 (視系統支援而定)

在電腦程式中細分整數型態的目的是節約系統資源，能用寬度小的整數型態就不用寬度大的。早期的電腦運算資源相對昂貴，所以會對運算資源斤斤計較。

此外，Pascal 的整數型態的寬度是固定的，當我們想要使用特定範圍的整數資料時，就可以選取相對應的整數型態。

但對一般使用來說，不需要分那麼細。現在的個人電腦相對於電腦程式來說，運算資源算是相當充沛。無號整數用 cardinal，帶號整數用 integer 即可。

使用預設模式 (fpc mode) 編譯 Pascal 程式時，integer 對應到 smallint 型態。使用 Object Pascal 模式 (objfpc mode) 或 Delphi 模式 (delphi mode) 編譯 Pascal 程式時，integer 對應到 longint 型態。

以下程式可取得系統上的整數型態的寬度：

program main;

uses
  SysUtils;

type
  uint = cardinal;
  u8 = byte;
  u16 = word;
  u32 = longword;
  u64 = qword;

  int = integer;
  i8 = shortint;
  i16 = smallint;
  i32 = longint;
  i64 = int64;

begin
  WriteLn(format('Size of cardinal: %d', [sizeOf(uint)]));
  WriteLn(format('Size of byte: %d', [sizeOf(u8)]));
  WriteLn(format('Size of word: %d', [sizeOf(u16)]));
  WriteLn(format('Size of longword: %d', [sizeOf(u32)]));
  WriteLn(format('Size of qword: %d', [sizeof(u64)]));

  WriteLn('');  (* Separator. *)

  WriteLn(format('Size of integer: %d', [sizeOf(int)]));
  WriteLn(format('Size of shortint: %d', [sizeOf(i8)]));
  WriteLn(format('Size of smallint: %d', [sizeOf(i16)]));
  WriteLn(format('Size of longint: %d', [sizeOf(i32)]));
  Writeln(format('Size of int64: %d', [sizeOf(i64)]));
end.

以下是筆者在自己的電腦上試跑的結果：

Size of cardinal: 4
Size of byte: 1
Size of word: 2
Size of longword: 4

Size of integer: 2
Size of shortint: 1
Size of smallint: 2
Size of longint: 4
Size of int64: 8

在不同系統上得到的整數型態寬度可能相異，不要背誦這個結果。

以下程式可取得整數型態的範圍：

program main;
uses
  sysUtils;

type
  uint = cardinal;
  u8 = byte;
  u16 = word;
  u32 = longword;
  u64 = qword;

  int = integer;
  i8 = shortint;
  i16 = smallint;
  i32 = longint;
  i64 = int64;

begin
  WriteLn('Range of cardinal between ' + IntToStr(low(uint)) + ' and ' + IntToStr(high(uint)));
  WriteLn('Range of byte between ' + IntToStr(low(u8)) + ' and ' + IntToStr(high(u8)));
  WriteLn('Range of word between ' + IntToStr(low(u16)) + ' and ' + IntToStr(high(u16)));
  WriteLn('Range of longword between ' + IntToStr(low(u32)) + ' and ' + IntToStr(high(u32)));
  WriteLn('Range of qword between ' + IntToStr(low(u64)) + ' and ' + IntToStr(high(u64)));

  WriteLn('');  (* Separator. *)

  WriteLn('Range of integer between ' + IntToStr(low(int)) + ' and ' + IntToStr(high(int)));
  WriteLn('Range of shortint between ' + IntToStr(low(i8)) + ' and ' + IntToStr(high(i8)));
  WriteLn('Range of smallint between ' + IntToStr(low(i16)) + ' and ' + IntToStr(high(i16)));
  WriteLn('Range of longint between ' + IntToStr(low(i32)) + ' and ' + IntToStr(high(i32)));
  WriteLn('Range of int64 between ' + IntToStr(low(i64)) + ' and ' + IntToStr(high(i64)));
end.

以下是筆者在自己的電腦上試跑的結果：

Range of cardinal between 0 and 4294967295
Range of byte between 0 and 255
Range of word between 0 and 65535
Range of longword between 0 and 4294967295

Range of integer between -32768 and 32767
Range of shortint between -128 and 127
Range of smallint between -32768 and 32767
Range of longint between -2147483648 and 2147483647
Range of int64 between -9223372036854775808 and 9223372036854775807

了解整數型態的範圍是重要的，因為電腦和數學還是有一段差距。用電腦進行運算時，會因超出範圍導致溢位 (overflow) 或下溢 (underflow)。Free Pascal 編譯器可開啟邊界檢查 (range check)，在整數越界時引發錯誤。

如果需要更大範圍的整數時，就要使用大數運算函式庫。大數運算是以軟體模擬的，不受到硬體的限制，但速度較慢。

浮點數 (Floating Point Number)

浮點數型態用來表達數學上的小數。依據其資料寬度，可分為以下數種：

  • real：視系統而定
  • single：32 位元
  • double：64 位元
  • extended：80 位元
  • comp：64 位元
  • currency：64 位元

一般情形下，用 real 型態即可。若需要特定精確度才改用其他型態。

以下程式可取得系統上的浮點數型態的寬度：

program main;

uses
  SysUtils;

begin
  WriteLn(Format('Size of real: %d', [SizeOf(real)]));
  WriteLn(Format('Size of single: %d', [SizeOf(single)]));
  WriteLn(Format('Size of double: %d', [SizeOf(double)]));
  WriteLn(Format('Size of extended: %d', [SizeOf(extended)]));
  WriteLn(Format('Size of comp: %d', [SizeOf(comp)]));
end.

以下是在筆者的主機上試跑的結果：

Size of real: 8
Size of single: 4
Size of double: 8
Size of extended: 8
Size of comp: 8

可發現其實好幾個浮點數型態的寬度是相同的。

字串 (String)

Pascal 的字串是字元陣列。又再細分為以下數種型態：

  • string：依模式而定
  • ShortString：有長度限制，有頁碼 (code page)
  • ANSIString：無長度限制，有頁碼
  • RawByteString：無長度限制，無頁碼
  • UTF8String：無長度限制，指定頁碼為 UTF8

string 是預設的字串型態，實際的型態會依模式而變。若在原始碼中加入編譯器指示詞 {$H+} 時，string 為 ANSIString。反之，在預設模式或加入指示詞 {$H-} 時，string 為 ShortString。

ShortString 是長度最長為 255 的字元陣列。但尾端沒有 null，和 C 字串相異。未指定頁碼時，該型態會自動使用系統預設的頁碼。

ANSIString 長度沒有限制，尾端有 null 字元，類似於 C 字串。未指定頁碼時，該型態也會自動使用系統預設的頁碼。

RawByteString 和 UTF8String 本質上仍是 ANSIString。這兩種型態等同於以下型態宣告：

type
  RawByteString = ANSIString(CP_NONE);
  UTF8String = ANSIString(CP_UTF8);

自訂範圍型態 (Subrange)

Pascal 可以自訂資料的範圍，像是以下的片段宣告 age 型態，該型態的範圍為 0 至 150：

type
  age = 0..150;

自訂範圍型態的好處是讓編譯器幫我們檢查資料是否符合範圍，在開發時期提早發現錯誤。

列舉 (Enumeration)

列舉型態用來表達離散 (discrete)、有限數量的 (finite) 資料。這類資料在程式中當成符號來用，其內部數字不是重點。以下是實例：

type
  direction = (NORTH, SOUTH, EASH, WEST);

在這個 Pascal 片段中，我們宣告了列舉型態 direction，該型態有四個值。

Pascal 的列舉型態是獨立的型態，和整數型態是相異的。也就是說，Pascal 的列舉型態具有型態安全 (type safety)。相對來說，C 語言的列舉型態無法和整數型態區分，不具有型態安全。

陣列 (Array)

陣列型態是線性 (linear)、連續 (continuous)、同質的 (homogeneous) 容器 (collection) 或資料結構 (data structure)。陣列中的元素在記憶體中會連續排列，可透過索引值 (index) 快速存取。

以下 Pascal 片段建立一個長度為 10 的一維陣列，該陣列的元素型態為整數，範圍從 1 至 10：

var
  arr : array[1..10] of integer;

Pascal 陣列可以自訂範圍，不一定要從 1 開始。

除了一維陣列外，也可以建立多維陣列。以下 Pascal 片段建立二維陣列：

var
  mtx : array[0..5, 0..3] of real;

除了以整數為索引值外，還可以用其他的型態。像是以下 Pascal 片段以列舉型態當成陣列的索引值：

type
  direction = (NORTH, SOUTH, EASH, WEST);

var
  directions : array[direction] of integer;

集合 (Set)

集合型態用來表達數學上的集合。以下的 Pascal 片段建立以 char (字元) 為元素的集合：

var
  letters : set of char;

同樣地，我們可以用其他型態來建立集合。像是以下的片段建立以列舉為元素的集合：

type
  direction = (NORTH, SOUTH, EASH, WEST);

var
  directions : set of direction;

記錄 (Record)

記錄是使用者自訂型態，用來建立無法以純量表達的資料。例如，以下 Pascal 片段建立 TPoint 型態，用來表達平面座標的點 (point)：

type
  TPoint = record
    x : real;
    y : real;
  end;

程式語言在開發時，無法預先知道所有的需求。讓程式語言的使用者 (即程式設計師) 有自訂型態的彈性是相當重要的。Pascal 算是早期就支援這項特性的語言。

物件 (Object) 和類別 (Class)

Object Pascal 限定

Pascal 在剛問世時，物件導向程式設計的概念還不興盛，所以當時 Pascal 未在語言中加入物件導向相關的特性。雖然我們可以用記錄寫擬物件，和真正的物件導向程式還是有一些差別。

物件和類別是為了讓 Pascal 支援物件導向程式才加進去的型態，兩者的差別是記憶體層級相異。實務上，物件甚少使用，幾乎都是使用類別來寫物件導向程式。

指標 (Pointer)

指標型態的資料用來儲存記憶體的位址 (address)。該型態是用來操作記憶體的語言特性。由於指標在現實生活中沒有相對應的概念，一開始要花一點時間來適應指標的使用方式。

不定型態 (Variant)

不定型態可用來儲存任意的純量或指標。在 Pascal 這類靜態型態語言中，不定型態讓程式更有彈性。但不定型態的資料處理起來會比靜態型態資料來得慢，這是因為 Pascal 程式要在運行期解析資料的真正型態。所以，不應過度使用不定型態。

關於作者

身為資訊領域碩士，位元詩人 (ByteBard) 認為開發應用程式的目的是為社會帶來價值。如果在這個過程中該軟體能成為永續經營的項目，那就是開發者和使用者雙贏的局面。

位元詩人喜歡用開源技術來解決各式各樣的問題，但必要時對專有技術也不排斥。閒暇之餘，位元詩人將所學寫成文章，放在這個網站上和大家分享。