Українська
Система типів і числові типи
Система типів C#
Програма обробляє дані: числа, текст, дати, логічні значення. Кожне значення в C# має тип (type), який визначає:
- скільки пам’яті займає значення;
- які значення допустимі (діапазон);
- які операції можна виконувати над значенням.
C# – мова зі строгою статичною типізацією: тип кожної змінної відомий під час компіляції і не змінюється. Компілятор перевіряє, чи відповідають типи операціям, тому помилку на кшталт «помножити рядок на логічне значення» буде знайдено ще до запуску програми.
Найуживаніші типи вбудовані в мову й мають ключові слова: int, double, bool, string тощо. Кожне ключове слово є псевдонімом типу платформи .NET із простору імен System: int – це System.Int32, string – System.String. Записи int x і System.Int32 x рівноцінні, але прийнято використовувати ключові слова. Усі типи C# прямо або опосередковано походять від типу object (System.Object). Перелік вбудованих типів наведено в документації https://learn.microsoft.com/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/built-in-types.
Типи C# поділяються на дві великі групи (рис. 2.1):
- типи-значення (value types) – змінна безпосередньо містить значення. До них належать числові типи,
bool,char, структури (struct) і перелічення (enum); - посилальні типи (reference types) – змінна містить посилання на об’єкт, розміщений в іншому місці пам’яті. Це
string,object, масиви, класи, інтерфейси та делегати.
Рис. 2.1. Класифікація типів C#
Стек і керована купа
Спрощено пам’ять програми можна уявити як дві області (рис. 2.2):
- стек (stack) – область для локальних змінних методу. Пам’ять у стеку виділяється та звільняється дуже швидко: коли метод завершується, його змінні зникають;
- керована купа (managed heap) – область для об’єктів. Об’єкт живе, доки на нього є хоча б одне посилання; непотрібні об’єкти видаляє збирач сміття (https://learn.microsoft.com/dotnet/standard/garbage-collection/fundamentals).
Локальна змінна типу-значення зберігає значення прямо в стеку. Локальна змінна посилального типу зберігає в стеку лише посилання, а сам об’єкт розміщується в купі.
Рис. 2.2. Розміщення змінних у стеку та керованій купі
Різниця між двома групами типів найпомітніша під час присвоювання. Присвоювання типу-значення копіює значення, тому змінні далі незалежні. Присвоювання посилального типу копіює посилання, і обидві змінні вказують на той самий об’єкт. Масиви детально розглядаються в темі 4, але вже тут вони добре показують цю різницю:
cs
int a = 1;
int b = a; // копія значення
b = 2;
Console.WriteLine(a); // 1 – змінна a не змінилася
int[] first = { 1, 2 };
int[] second = first; // копія посилання
second[0] = 9;
Console.WriteLine(first[0]); // 9 – це той самий масивУпакування та розпакування
Значення будь-якого типу можна присвоїти змінній типу object. Якщо це тип-значення, виконується упакування (boxing): у купі створюється об’єкт, у який копіюється значення. Зворотна дія – розпакування (unboxing) – записується як явне приведення і можлива лише до того самого типу:
cs
int n = 42;
object boxed = n; // упакування: копія 42 у купі
n = 43;
Console.WriteLine(boxed); // 42
int m = (int)boxed; // розпакування
long l = (long)boxed; // InvalidCastExceptionОстанній рядок спричиняє виняток InvalidCastException, бо в об’єкті лежить int, а не long. Упакування відбувається непомітно, наприклад під час передавання числа в параметр типу object, і потребує додаткової пам’яті, тому в коді, що виконується дуже часто, його уникають (https://learn.microsoft.com/dotnet/csharp/programming-guide/types/boxing-and-unboxing).
Цілі типи
Цілі типи (integral numeric types) зберігають числа без дробової частини. Вони відрізняються розміром і наявністю знака (табл. 2.1). Типи без знака (byte, ushort, uint, ulong) не зберігають від’ємних чисел, зате їх максимальне значення вдвічі більше.
Таблиця 2.1. Цілі типи C#
| Тип | Тип .NET | Байтів | Діапазон |
|---|---|---|---|
sbyte | SByte | 1 | −128…127 |
byte | Byte | 1 | 0…255 |
short | Int16 | 2 | −32 768…32 767 |
ushort | UInt16 | 2 | 0…65 535 |
int | Int32 | 4 | −2 147 483 648…2 147 483 647 |
uint | UInt32 | 4 | 0…4 294 967 295 |
long | Int64 | 8 | ≈ ±9,22 · 1018 |
ulong | UInt64 | 8 | 0…≈ 1,84 · 1019 |
nint, nuint | IntPtr, UIntPtr | 4 або 8 | залежить від розрядності процесу |
Основний цілий тип – int: його використовують, якщо немає причин обрати інший. Тип long потрібен для великих значень (кількість мілісекунд, розмір файлу в байтах), byte – для байтів даних (компоненти кольору, вміст файлу). Точні межі кожного типу доступні через константи MinValue і MaxValue: int.MaxValue – це 2 147 483 647. Документація: https://learn.microsoft.com/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/integral-numeric-types.
Цілочисельні літерали можна записувати в десятковій, шістнадцятковій (префікс 0x) і двійковій (префікс 0b) системах. Для зручності читання цифри розділяють символом _:
cs
int million = 1_000_000;
int mask = 0xFF; // 255
int flags = 0b1010_0001; // 161
long population = 8_100_000_000L;
uint big = 4_000_000_000U;Тип літерала визначається його значенням: це перший із типів int, uint, long, ulong, у який вміщується значення. Тому 3_000_000_000 має тип uint. Суфікс L робить літерал типом long, U – uint, UL – ulong. Суфікс l (мала літера) допустимий, але його легко сплутати з одиницею, тому пишуть велику L.
Дійсні типи
Для чисел із дробовою частиною в C# є три типи (табл. 2.2). Типи float і double зберігають числа у двійковому форматі з плаваючою комою за стандартом IEEE 754, тип decimal – у десятковому форматі.
Таблиця 2.2. Дійсні типи C#
| Тип | Тип .NET | Байтів | Приблизний діапазон | Цифр |
|---|---|---|---|---|
float | Single | 4 | ±1,5 · 10−45…±3,4 · 1038 | 6–9 |
double | Double | 8 | ±5,0 · 10−324…±1,7 · 10308 | 15–17 |
decimal | Decimal | 16 | ±1,0 · 10−28…±7,9 · 1028 | 28–29 |
Літерал із крапкою або експонентою (12.5, 1.5e3) має тип double. Для float додають суфікс f (12.5f), для decimal – суфікс m (12.5m). У коді C# десятковий роздільник завжди крапка, незалежно від регіональних налаштувань.
Похибка двійкових дробів
Число double займає 64 біти: знак, порядок і мантиса (рис. 2.3). Більшість десяткових дробів, наприклад 0,1, не можна точно записати у двійковій системі, як 1/3 не можна точно записати десятковим дробом. Тому double зберігає найближче двійкове значення, і під час обчислень з’являються невеликі похибки:
Рис. 2.3. Будова числа double за стандартом IEEE 754
cs
double a = 0.1 + 0.2;
Console.WriteLine(a); // 0,30000000000000004
Console.WriteLine(a == 0.3); // False
decimal m = 0.1m + 0.2m;
Console.WriteLine(m); // 0,3Похибку добре видно у вікні Watch налагоджувача Visual Studio (рис. 2.4). Налагоджувач показує значення з крапкою, бо не залежить від регіональних налаштувань.
Рис. 2.4. Похибка дійсних чисел у вікні Watch
Висновки для практики:
- не порівнюйте числа
doubleоперацією==; перевіряйте, що різниця менша за допуск:Math.Abs(a - 0.3) < 1e-9; - для грошових сум використовуйте
decimal: він точно зберігає десяткові дроби до 28 знаків; - для наукових і інженерних обчислень (фізика, геометрія, графіка) використовуйте
double: він набагато швидший заdecimalі має більший діапазон;floatобирають, коли потрібно заощадити пам’ять (наприклад, у графіці).
Нескінченність і NaN
Цілочисельне ділення на нуль спричиняє виняток DivideByZeroException. Дійсні типи float і double натомість мають спеціальні значення: нескінченність і NaN (Not a Number – «не число»):
cs
double zero = 0;
Console.WriteLine(1 / zero); // ∞
Console.WriteLine(-1 / zero); // -∞
Console.WriteLine(zero / zero); // NaN
Console.WriteLine(double.NaN == double.NaN); // False
Console.WriteLine(double.IsNaN(zero / zero)); // TrueЗначення NaN не дорівнює жодному числу, навіть самому собі, тому перевіряють його лише методом double.IsNaN. Для нескінченності є методи double.IsInfinity, double.IsPositiveInfinity. Тип decimal таких значень не має: ділення на нуль і вихід за діапазон спричиняють винятки. Документація: https://learn.microsoft.com/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/floating-point-numeric-types.