Teória 2: Algoritmus, dátové typy a premenné¶

Keďže sa na tomto predmete budeme oháňať pojmom algoritmus, dnes si ho zadefinujeme. Povenujeme sa tiež dátovým typom v Jave, premenným a konštantám. Ukážeme si, ako sú tieto veci reprezentované v pamäti počítača. Je to nutné pre správne pochopenie správania týchto konceptov.

Algoritmus¶

Algoritmus je postupnosť presne definovaných krokov, ktoré musíme realizovať, aby sme vyriešili úlohu a dosiahli výsledok.

Inými slovami, je to taký návod alebo recept, podľa ktorého vieme postupovať, aby sme zadaný problém vyriešili. Algoritmus napísaný v programovacom jazyku sa volá program.

Nie každá postupnosť krokov je algoritmus. Musí mať aj určité vlastnosti. Známy teoretický informatik Donald Knuth definuje tieto vlastnosti, ktoré algoritmus musí spĺňať:

Konečnosť: Algoritmus musí skončiť po konečnom počte krokov
Determinovanosť: Každý krok musí byť jednoznačne definovaný, vždy vieme aká činnosť má nasledovať
Vstup: Pracuje so vstupnými hodnotami, ktoré sú mu odovzdané pred začatím jeho vykonávania
Výstup alebo Rezultatívnosť: Algoritmus musí riešiť zadaný problém a dať výsledok
Efektívnosť: Má sa uskutočniť v čo najkratšom čase a s využitím čo najmenšieho množstva prostriedkov

Dáta v počítačí¶

Ako sme si povedali vyššie, algoritmus prijíma nejakú vstupnú hodnotu a riešením algoritmu je jeho výstup, opäť nejaká hodnota. Tak isto aj každý počítačový program pracuje s nejakými údajmi - dátami. Tieto dáta môžu byť rôzneho typu: čísla, znaky, súbory, obrázky, videá, ...

Údaje sú v počítačí uložené v jeho pamäti, napr. RAMke, disku, USB kľúči a pod. Počítačová pamäť tieto dáta uchováva vo forme sekvencie bajtov. Čím väčšie dáta, tým viac bajtov v pamäti počítača zaberajú. Dnes je bežné mať súbory veľkosti niekoľkých megabajtov alebo gigabajtov.

Čo je bajt?

Bajt je jednotka informácie. Aj keď jeho veľkosť môže byť rôzna, v súčasnosti sa 1 bajt vo väčšine počítačov skladá zo sekvencie ôsmich bitov a teda môže nadobúdať 2⁸ = 256 rôznych hodnôt.

A čo je bit? Bit je úplne najzákladnejšia jednotka informácie. Je to binárna hodnota, ktorá môže mať iba 2 stavy: pravda alebo nepravda, zapnutý alebo vypnutý, 1 alebo 0.

Ako si predstaviť pamäť počítača?¶

Predstavte si školskú šatňu. Nie hocijakú, ale takú, v ktorej sú skrinky v jednom rade za sebou, a je ich strašne veľa. Každá skrinka je rovnako veľká a má svoje poradové číslo. Ak si potrebujem odložiť nejakú vec, nájdem voľnú skrinku a svoju vec dám do nej. Ak je vec veľmi veľká, rozdelím ju na menšie časti a dám do viacerých skriniek za sebou.

Takto nejako vyzerá aj pamäť počítača. Veľkosť skrinky je jeden bajt a poradové číslo skrinky sa volá adresa.

Pamäť počítača ako očíslované skrinky v šatni

Dáta v Jave¶

V jazyku Java delíme dátove typy na dve veľké skupiny: Primitívne dátové typy a neprimitívne dátové typy

Primitívne dátové typy¶

Primitívne dátové typy píšeme malými písmenami. Java má 8 primitívnych dátových typov: boolean, byte, char, short, int, long, float a double.

Pomocou primitívnych dátových typoch si vieme určiť, koľko bajtov má daná hodnota zaberať v pamäti počítača. Java nám týmto spôsobom dáva možnosť optimalizovať naše algoritmy tak, aby nezaberali príliš veľa miesta a boli efektívnejšie.

Primitívne dátové typy

Kategória	Typ	Veľkosť	Rozsah hodnôt
Celé číslo	`byte`	8 bitov (1 bajt)	-128 až 127
Celé číslo	`short`	16 bitov (2 bajty)	-32768 až 32767
Celé číslo	`int`	32 bitov (4 bajty)	-2147483648 až 2147483647
Celé číslo	`long`	64 bitov (8 bajtov)	-9223372036854775808 až 9223372036854775807
Číslo s pohyblivou rádovou čiarkou	`float`	32 bitov (4 bajty)	nižšia presnosť
Číslo s pohyblivou rádovou čiarkou	`double`	64 bitov (8 bajtov)	vyššia presnosť
Znak	`char`	16 bitov (2 bajty)	65536 rôznych znakov
Logická hodnota	`boolean`	8 bitov (1 bajt)	`true` alebo `false`

Hodnoty takýchto dátových typov potom v pamäti zaberajú rôznu veľkosť.

Neprimitívne dátové typy¶

Primitívnych typov máme v Jave 8, všetko ostatné sú typy neprimitívne. Je ich strašne veľa a vieme si aj vytvárať vlastné.

Príklad neprimitívnych dátových typov: File, Date, Map, String, Array.

Hodnoty neprimitívnych dátových typov sú vždy objekty (čo presne je objekt si povieme nabudúce). V pamäti počítača zaberajú rôzne veľa miesta, od pár desiatok bajtov až po gigabajty.

Neprimitívna hodnota v pamäti počítača. (Obrázok je zjednodušený. Dátum, teda objekt triedy `Date` v skutočnosti zaberá 32 bajtov.)

Učím sa s pomocou umelej inteligencie

Som študent strednej školy, učím sa Javu. Prečo má Java primitívne a neprimitívne dátové typy? Nemohlo byť všetko neprimitívne?

Premenné a konštanty¶

Premenná je pomenovanie alebo názov nejakého miesta v pamäti počítača, na ktoré potom môžem ukladať údaje. Ak ostaneme pri prirovnaní so skrinkami v šatni, tak premenná je niečo také ako keď si označíte v šatni skrinku svojim menom. Nemusíte potom nikomu hovoriť, že "daj veci do skrinky č. 23", ale poviete, "daj veci do Ferovej skrinky".

Keďže Java je staticko typovaný jazyk, pri deklarácii (vytváraní) premennej musíme počítaču povedať, aký dátový typ má premenná obsahovať. Podľa toho potom Java vie, koľko miesta v pamäti počítača má pre danú premennú obsadiť (koľko skriniek v šatni).

Príklad vytvorenia primitívnych premenných v Jave - declaration

  byte a;
  int teplota;
  double dlzka;

Po deklarovaní premennej jej môžeme priradiť nejakú hodnotu. Robíme to pomocou operátora priradenia =. Po anglicky sa to volá assignment. Kompilátor jazyka Java sa postará o to, že priradiť môžeme iba hodnotu dátového typu danej premennej.

Príklad priradenia hodnôt - assignment

  teplota = -37;
  dlzka = 21.88443;

Tieto dve operácie (deklaráciu a priradenie) vieme spojiť do jedného kroku. Prvé priradenie hodnoty do premennej sa volá inicializácia.

Deklarácia a inicializácia primitívnych premenných - initialization

  int teplota = -37;
  double dlzka = 21.88443;

Neprimitívne premenné¶

Mind Blown

Neprimitívne premenné sú v Jave implementované veľmi špeciálne. Neprimitívna hodnota - objekt - sa neukladá priamo do premennej, ale objekt je v pamäti uložený samostatne a premenná v sebe obsahuje iba odkaz na túto hodnotu. Takýto odkaz nazývame referencia.

V nasledujúcom príklade v jednom kroku vytvoríme nový objekt a priradíme ho do premennej.

Príklad neprimitívnej premennej

  Date dnes = new Date();

Vytvorili sme 2 údaje v pamäti počítača. Ako prvé sme vytvorili objekt (pomocou operátora new) a ten sme potom počas inicializácie priradili novo vytvorenej premennej dnes. Hodnota neprimitívnej premennej - referencia - obvykle zaberá v Jave 32 bitov (4 bajty).

Ak potom vytvoríme inú premennú a priradíme do nej ten istý objekt, tento objekt v pamäti nebude dvakrát, ale iba raz. Obidve premenné budú teda odkazovať na ten istý objekt. (To by sa nám pri primitívnych dátových typoch nestalo, tam by sa skopírovala hodnota a bola by v pamäti v každej premennej zvlášť.)

Dve premenné ukazujú na ten istý objekt

  Date dnes = new Date();
  Date streda;
  streda = dnes;

Načo je to dobré vedieť? Nie je jedno, ako to v počítači funguje? Pochopenie, ako fungujú neprimitívne premenné - referencie - je potrebné pre to, aby sme pochopili správanie programu. Keďže obidve premenné v predchádzajúcom príklade ukazujú na ten istý objekt, ak sa tento objekt zmení, zmenu bude vidieť vo všetkých premenných, ktoré sa na tento objekt odkazujú!

A prečo to takto divne funguje? Nemohlo by byť všetko kopírované tak ako pri primitívnych premenných? Problém je, že kopírovanie je pre počítač náročná operácia, ak je objekt zložitý. Ak by sa objekty kopírovali pri každom priradení premennej, trvalo by to dlho a mohli by sme rýchlo zaplniť pamäť počítača. Takto sa kopíruje iba 4 bajtová referencia, čo je veľmi rýchla operácia.

Ako je to v jazyku Python?

V jazyku Python neexistujú primitívne dátové typy. Všetky premenné sú implementované podobne ako neprimitívne premenné v Jave. V Pythone je každá hodnota objekt a premenná obsahuje vždy referenciu na objekt.

Konštanty¶

Konštanty v Jave sú ako premenné, ale s tým rozdielom, že im hodnotu môžeme priradiť iba raz a potom sa už viac nesmú meniť. Kontrolovať to bude kompilátor jazyka a pri akomkoľvek pokuse o zmenu vypíše chybu.

Konštantu zadeklarujeme pomocou slovíčka final, ktoré dáme na začiatok deklarácie.

Príklad konštanty

  final double PI = 3.1415926535;
  final int DEFAULT_PAGE_SIZE = 15;

Použitie konštánt v kóde zlepšuje jeho čitateľnosť a zjednodušuje údržbu programu.

Neprimitívne konštanty sa opäť správajú špeciálne. Nakoľko ich hodnoty sú referencie (odkazy), takáto konštanta sa nebude môcť meniť v zmysle, že už nebude môcť ukazovať na iný objekt. Samotný objekt, ak je meniteľný, sa však meniť môže. A to aj v prípade, ak sa na neho ukazuje pomocou konštanty.

Preto majú neprimitívne konštanty využitie hlavne v prípadoch, kedy aj samotný objekt je od začiatku nemenný. Príkladom takého typu objektov je reťazec znakov String, ktorého hodnota sa po vytvorení nedá viac meniť (po anglicky je tzv. immutable)

Príklad neprimitívnej konštanty

  final String APP_NAME = "Moja aplikácia";
  final String DEFAULT_COUNTRY_CODE = "SVK";

Učím sa s pomocou umelej inteligencie

Som študent strednej školy, učím sa Javu. Napíš 3 nie zložité príklady na:

Zhrnutie teórie¶

Poznámky do zošita

V zošite je potrebné mať napísané aspoň tieto poznámky:

ALGORITMUS

Postupnosť presne definovaných krokov na dosiahnutie výsledku. 

Algoritmus musí mať tieto vlastnosti:
- Konečnosť
- Determinovanosť
- Vstup
- Výstup
- Efektívnosť


DÁTOVÉ TYPY V JAVE

Java má 8 primitívnych dátových typov
- boolean
- byte, short, int, long
- float a double
- char

Neprimitívne dátové typy
- Vieme si vytvárať vlastné
- Ich hodnoty sú objekty
- Príklad: File, Date, Map, String, Array


PREMENNÉ

Premenná je pomenovanie alebo názov nejakého miesta 
v pamäti počítača, na ktoré potom môžem ukladať údaje

Vlastnosti:
- Premenná má typ, názov a hodnotu
- Príklad: int teplota = -37;
- Neprimitívna premenná obsahuje referenciu na objekt
- Viacero premenných môže ukazovať na ten istý objekt

Konštanty:
- Sú ako premenné, ale nemôžu meniť svoju hodnotu
- Deklarujeme ich pomocou slovíčka final
- Ak chceme neprimitívnu konštantu, objekt musí byť nemenný
- Príklad: final double PI = 3.1415;

Skúšanie a kontrola vedomostí

Na ďalšej hodine budeme kontrolovať nasledovné veci:

Zapísané poznámky z hodiny vo vašom zošite

Ústne skúšanie alebo krátka 5-minútovka:

Čo je algoritmus? Aké vlastnosti musí spĺňať?
Ako delíme dátové typy v Jave?
Aká primitívne dátové typy poznáte?
Čo sú neprimitívne dátové typy? Uveďte príklady.
Čo je premenná, ako sa deklaruje a ako sa jej priradzuje hodnota?
Čo je neprimitívna premenná a ako sa správa?
Čo je konštanta a ako funguje?