Векторы: логическая структура | машинное представление

ЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА. Вектор (одномерный массив) - структура данных с фиксированным числом элементов одного и того же типа. Каждый элемент вектора имеет уникальный в рамках заданного вектора номер. Обращение к элементу вектора выполняется по имени вектора и номеру требуемого элемента.

МАШИННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ. АДРЕСАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУКТУР. Элементы вектора размещаются в памяти в подряд расположенных ячейках памяти. Под элемент вектора выделяется количество байт памяти, определяемое базовым типом элемента этого вектора. Размер памяти для хранения вектора определяется произведением длины элемента на число элементов.

В языках программирования вектор представляется одномерным массивом с синтаксисом описания вида (Pascal):

<Имя> : array [n..k] of <тип>;

где n-номер первого элемента, k-номер последнего элемента.

В языках, где память распределяется до выполнения программы на этапе компиляции, при описании типа вектора граничные значения индексов должны определены. В языках, где память может распределяться динамически, значения индексов могут быть заданы во время выполнения программы.

Количество байтов непрерывной области памяти, занятых одновременно вектором, определяется по формуле:

ByteSise = ( k - n + 1 ) * Sizeof (тип)

Обращение к i-тому элементу вектора выполняется по адресу вектора плюс смещение к данному элементу. Смещение i-ого элемента вектора определяется по формуле:

ByteNumer = ( i- n ) * Sizeof (тип),
а адрес его:  @ ByteNumber = @ имя + ByteNumber.

где @ имя - адрес первого элемента вектора.
При доступе к вектору задается имя вектора и номер элемента вектора. Таким образом, адрес i-го элемента может быть вычислен как:

@Имя[i] = @Имя + i*Sizeof(тип) - n*Sizeof(тип)                (3.1)

Это вычисление не может быть выполнено на этапе компиляции, так как значение переменной i в это время еще неизвестно. Следовательно, вычисление адреса элемента должно производиться на этапе выполнения программы при каждом обращении к элементу вектора.

Но для этого на этапе выполнения, во-первых, должны быть известны параметры формулы (3.1): @Имя Sizeof(тип), n, а во-вторых, при каждом обращении должны выполняться две операции умножения и две - сложения. Преобразовав формулу (3.1) в формулу (3.2), получим:

@Имя[i] = A0 + i*Sizeof(тип)                                      (3.2)
A0 = @Имя - n*Sizeof(тип)   

Таким образом, число хранимых параметров сокращается до двух, а число операций - до одного умножения и одного сложения, так как значение A0 может быть вычислено на этапе компиляции и сохранено вместе с Sizeof(тип) в дескрипторе вектора. Обычно в дескрипторе вектора сохраняются и граничные значения индексов. При каждом обращении к элементу вектора заданное значение сравнивается с граничными и программа аварийно завершается, если заданный индекс выходит за допустимые пределы. Информация, содержащаяся в дескрипторе вектора, позволяет, во-первых, сократить время доступа, а во-вторых, обеспечивает проверку правильности обращения. Но за эти  преимущества приходится платить, во-первых, быстродействием, так как обращения к дескриптору - это команды, во-вторых, памятью как для размещения самого дескриптора, так и для команд, с ним работающих.