نوع البيانات

تُمثَّل جميع البيانات في الحواسيب القائمة على الإلكترونيات الرقمية على شكل بتات (أو 0 و1) في أدنى مستوى. أصغر وحدة بيانات قابلة للعنونة هي عادةً مجموعة من البتات تُسمى بايت (عادةً ما تكون ثمانية بتات). تُسمى الوحدة التي تُعالجها تعليمات لغة الآلة كلمة ( اعتبارًا من عام 2026) .(عادةً 32/64 بت).

تُتيح أنواع بيانات الآلة تحكمًا دقيقًا في الأجهزة، ولكن هذا قد يكشف أيضًا تفاصيل التنفيذ التي تجعل الشيفرة أقل قابلية للنقل. لذا، تُستخدم أنواع بيانات الآلة بشكل أساسي في برمجة الأنظمة أو لغات البرمجة منخفضة المستوى . في لغات البرمجة عالية المستوى، تُجرّد معظم أنواع البيانات بحيث لا يكون لها تمثيل آلي مُحدد في اللغة. على سبيل المثال، توفر لغة البرمجة C أنواعًا مثل القيم المنطقية، والأعداد الصحيحة، والأعداد العشرية، وما إلى ذلك، ولكن التمثيلات الثنائية الدقيقة لهذه الأنواع مُحددة في التنفيذ. النوع الوحيد في لغة C الذي له تمثيل آلي دقيق هو النوع charالذي يُمثل البايت. ^{[ 9 ]}

يمثل النوع المنطقي القيمتين " صحيح" و "خطأ" . على الرغم من أن القيمتين الوحيدتين الممكنتين هما "صحيح"، إلا أنه يُفضل تمثيلهما ببايت أو كلمة بدلاً من بت واحد، لأن تخزين واسترجاع بت واحد يتطلب تعليمات حاسوبية أكثر. لا تحتوي العديد من لغات البرمجة على نوع منطقي صريح، بل تستخدم نوع عدد صحيح، وتُفسر (على سبيل المثال) القيمة 0 على أنها "خطأ"، والقيم الأخرى على أنها "صحيح". تشير البيانات المنطقية إلى البنية المنطقية لكيفية تفسير اللغة للغة الآلة. في هذه الحالة، يشير النوع المنطقي 0 إلى المنطق "خطأ". أما "صحيح" فهو دائمًا قيمة غير صفرية، وخاصة القيمة 1 التي تُعرف بالنوع المنطقي 1.

تُوفّر معظم لغات البرمجة نوعًا واحدًا أو أكثر من أنواع البيانات الصحيحة . قد تُوفّر عددًا محدودًا من الأنواع الفرعية المُعرّفة مُسبقًا والمُقتصرة على نطاقات مُحدّدة (مثل ` shortint` و` longint` ومُتغيراتها المُقابلة في لغتيunsigned C/C++)؛ أو تسمح للمستخدمين بتعريف نطاقات فرعية بحرية، مثل 1..12 (مثل لغتي باسكال وآدا ). إذا لم يكن النوع الأصلي المُقابل موجودًا على النظام المُستهدف، فسيقوم المُصرّف بتقسيمه إلى شيفرة باستخدام الأنواع الموجودة. على سبيل المثال، إذا طُلب عدد صحيح 32 بت على نظام 16 بت، فسيتعامل المُصرّف معه ضمنيًا كمصفوفة من عددين صحيحين 16 بت.

تمثل أنواع بيانات الفاصلة العائمة قيمًا كسرية معينة ( أعدادًا نسبية رياضيًا). ورغم وجود حدود مُحددة مسبقًا لكل من قيمها القصوى ودقتها، إلا أنها تُسمى أحيانًا، بشكل مُضلل، بالأعداد الحقيقية (إشارةً إلى الأعداد الحقيقية الرياضية ). وعادةً ما تُخزن داخليًا على شكل a × 2b ⁽ حيث a و b عددان صحيحان)، ولكنها تُعرض بالشكل العشري المألوف .

تُعد أنواع البيانات ذات النقطة الثابتة ملائمة لتمثيل القيم النقدية. وغالبًا ما يتم تنفيذها داخليًا كأعداد صحيحة، مما يؤدي إلى حدود محددة مسبقًا.

لضمان استقلالية النظام عن تفاصيل البنية، يمكن استخدام نوع بيانات Bignum أو نوع بيانات ذي دقة عشوائيةnumeric . يُمثل هذا النوع عددًا صحيحًا أو كسريًا بدقة لا يحدها سوى موارد الذاكرة والحساب المتاحة في النظام. تُعدّ تطبيقات Bignum للعمليات الحسابية على قيم بحجم الآلة أبطأ بكثير من عمليات الآلة المقابلة. ^{[ 10 ]}

يحتوي النوع المُعدّد على قيم مميزة، يمكن مقارنتها وتعيينها، ولكن ليس بالضرورة أن يكون لها تمثيل ملموس محدد في ذاكرة الحاسوب؛ إذ يمكن للمترجمات والمفسرات تمثيلها بشكل عشوائي. على سبيل المثال، قد تكون الأوراق الأربعة في مجموعة أوراق اللعب أربعة أنواع مُعدّدة تُسمى CLUB و DIAMOND و HEART و SPADE ، تنتمي إلى نوع مُعدّد يُسمى suit . إذا تم تعريف متغير V بنوع بيانات suit ، فيمكن تعيين أي من هذه القيم الأربع له. تسمح بعض التطبيقات للمبرمجين بتعيين قيم عددية صحيحة لقيم التعداد، أو حتى التعامل معها كأنواع مكافئة للأعداد الصحيحة.

السلاسل النصية هي سلسلة من الأحرف تُستخدم لتخزين الكلمات أو النصوص العادية ، وغالبًا ما تكون لغات ترميز نصية تمثل نصًا منسقًا . قد تكون الأحرف حرفًا من أبجدية معينة ، أو رقمًا، أو مسافة فارغة، أو علامة ترقيم، وما إلى ذلك. تُستمد الأحرف من مجموعة أحرف مثل ASCII أو Unicode . يمكن أن تحتوي أنواع الأحرف والسلاسل النصية على أنواع فرعية مختلفة وفقًا لترميز الأحرف. وُجد أن ترميز ASCII الأصلي ذو 7 بتات محدود، وتم استبداله بمجموعات 8 و16 و32 بت، والتي يمكنها ترميز مجموعة واسعة من الأبجديات غير اللاتينية (مثل العبرية والصينية ) ورموز أخرى. قد تكون السلاسل النصية ذات طول متغير أو ثابت، وبعض لغات البرمجة تدعم كلا النوعين. كما يمكن تصنيفها فرعيًا حسب حجمها الأقصى.

بما أن معظم مجموعات الأحرف تتضمن الأرقام ، فمن الممكن وجود سلسلة رقمية، مثل "1234". تُعتبر هذه السلاسل الرقمية عادةً مختلفة عن القيم الرقمية مثل 1234، على الرغم من أن بعض اللغات تقوم بالتحويل بينهما تلقائيًا.

يُحدد تعريف نوع الاتحاد أيًّا من الأنواع الفرعية المسموح بها التي يمكن تخزينها في مثيلاته، مثل "عدد عشري أو عدد صحيح طويل". وعلى عكس السجل ، الذي يمكن تعريفه ليحتوي على عدد عشري وعدد صحيح، لا يمكن للاتحاد أن يحتوي إلا على نوع فرعي واحد في كل مرة.

يحتوي الاتحاد الموسوم (يسمى أيضًا متغيرًا أو سجلًا متغيرًا أو اتحادًا مميزًا أو اتحادًا منفصلاً) على حقل إضافي يشير إلى نوعه الحالي لتعزيز سلامة النوع.

نوع البيانات الجبري ( ADT) هو نوع مجموع، قد يكون تكراريًا، لأنواع حاصل الضرب . تتكون قيمة نوع البيانات الجبري من مُنشئ، بالإضافة إلى صفر أو أكثر من قيم الحقول، حيث يُحدد المُنشئ عدد ونوع قيم الحقول. مجموعة جميع القيم الممكنة لنوع البيانات الجبري هي الاتحاد المنفصل (المجموع) لمجموعات جميع القيم الممكنة لمتغيراته (حاصل ضرب الحقول). تُحلل قيم الأنواع الجبرية باستخدام مطابقة الأنماط، التي تُحدد مُنشئ القيمة وتستخرج الحقول التي يحتويها.

إذا كان هناك مُنشئ واحد فقط، فإن نوع البيانات المجردة (ADT) يُطابق نوع منتج مشابهًا للصف أو السجل. أما المُنشئ الذي لا يحتوي على حقول فيُطابق المنتج الفارغ (نوع الوحدة). وإذا كانت جميع المُنشئات خالية من الحقول، فإن نوع البيانات المجردة (ADT) يُطابق نوعًا مُعدّدًا .

أحد أنواع البيانات المجردة الشائعة هو نوع الخيار ، المعرف في لغة هاسكل على النحو التالي : ^{[ 11 ]}dataMaybea=Nothing|Justa

تُعدّ بعض أنواع هياكل البيانات مفيدة جدًا لتخزين البيانات واسترجاعها، وتُسمى هياكل البيانات . ومن هياكل البيانات الشائعة ما يلي:

• المصفوفة (وتُسمى أيضًا متجهًا أو قائمة أو متسلسلة) تُخزّن عددًا من العناصر وتُتيح الوصول العشوائي إلى كل عنصر على حدة . عادةً ما تكون عناصر المصفوفة من النوع نفسه (ولكن ليس في جميع السياقات). قد تكون المصفوفات ثابتة الطول أو قابلة للتوسيع. عادةً ما تكون مؤشرات المصفوفة أعدادًا صحيحة (وإلا، يُمكن التأكيد على هذا التسهيل بالحديث عن مصفوفة ترابطية ) ضمن نطاق مُحدد (إذا لم تُطابق جميع المؤشرات في هذا النطاق عناصر، فقد تكون مصفوفة متفرقة ).
• السجل (يُسمى أيضًا صفًا أو بنية): تُعد السجلات من أبسط هياكل البيانات . السجل عبارة عن قيمة تحتوي على قيم أخرى، عادةً بعدد وتسلسل ثابتين، ويتم فهرستها عادةً بالأسماء. تُسمى عناصر السجلات عادةً بالحقول أو الأعضاء .
• يحتوي الكائن على عدد من حقول البيانات، مثل السجل، كما يوفر عددًا من الإجراءات الفرعية للوصول إليها أو تعديلها، وتسمى هذه الإجراءات بالأساليب .
• القائمة المرتبطة أحادية الاتجاه ، والتي يمكن استخدامها لتنفيذ قائمة انتظار ، وتُعرَّف في لغة هاسكل على أنها نوع البيانات المجردة (ADT) ، وdataLista=Nil|Consa(Lista)
• الشجرة الثنائية ، التي تسمح بالبحث السريع، ويمكن تعريفها في لغة هاسكل على أنها ADT ^{[ 12 ]}dataBTreea=Nil|Node(BTreea)a(BTreea)

نوع البيانات المجرد هو نوع بيانات لا يُحدد التمثيل الملموس للبيانات. بدلاً من ذلك، تُستخدم مواصفات رسمية تستند إلى عمليات نوع البيانات لوصفه. يجب أن يفي أي تطبيق لهذه المواصفات بالقواعد المُعطاة. على سبيل المثال، تحتوي المكدسة على عمليات دفع/سحب تتبع قاعدة "آخر ما يدخل أول ما يخرج"، ويمكن تنفيذها بشكل ملموس باستخدام قائمة أو مصفوفة. تُستخدم أنواع البيانات المجردة في الدلالات الرسمية والتحقق من البرامج ، وبشكل أقل تحديدًا، في التصميم .

النوع الرئيسي غير المركب والمشتق هو المؤشر ، وهو نوع بيانات تشير قيمته مباشرةً إلى قيمة أخرى مخزنة في مكان آخر في ذاكرة الحاسوب باستخدام عنوانها . وهو نوع بدائي من أنواع المراجع . (بعبارة أخرى، يمكن اعتبار رقم الصفحة في كتاب جزءًا من البيانات يشير إلى صفحة أخرى). غالبًا ما تُخزن المؤشرات بتنسيق مشابه للأعداد الصحيحة؛ ومع ذلك، فإن محاولة الوصول إلى مؤشر لم تكن قيمته عنوان ذاكرة صالحًا ستؤدي إلى تعطل البرنامج. ولتجنب هذه المشكلة المحتملة، يُعتبر نوع المؤشر عادةً منفصلاً عن نوع العدد الصحيح المقابل، حتى لو كان التمثيل الأساسي متطابقًا.

تتعامل لغات البرمجة الوظيفية مع الدوال كنوع بيانات مستقل، وتسمح بتخزين قيم هذا النوع في متغيرات وتمريرها إلى الدوال. كما تمتلك بعض اللغات متعددة الأنماط، مثل جافا سكريبت، آليات للتعامل مع الدوال كبيانات. ^{[ 13 ]} تتجاوز معظم أنظمة الأنواع الحديثة نوع "كائن الدالة" البسيط في جافا سكريبت، وتضم مجموعة من أنواع الدوال التي تختلف باختلاف أنواع الوسائط والقيم المُعادة، مثل النوع Int -> Boolالذي يدل على الدوال التي تأخذ عددًا صحيحًا وتُعيد قيمة منطقية. في لغة C، لا تُعد الدالة نوع بيانات من الدرجة الأولى، ولكن يمكن للبرنامج التعامل مع مؤشرات الدوال . لم تكن قيم الدوال موجودة في جافا وسي++ في الأصل، ولكن تمت إضافتها في سي++11 وجافا 8.

يقوم مُنشئ النوع بإنشاء أنواع جديدة من أنواع قديمة، ويمكن اعتباره مُعاملًا يأخذ صفرًا أو أكثر من الأنواع كوسائط وينتج نوعًا. يمكن تحويل أنواع الضرب، وأنواع الدوال، وأنواع القوى، وأنواع القوائم إلى مُنشئات أنواع.

تعتمد الأنواع المُكمَّمة عالميًا والأنواع المُكمَّمة وجوديًا على منطق المسند . يُكتب التكميم العالمي على النحو التالي:${\displaystyle \forall xf(x)}$أو forall x. f xو هو التقاطع على جميع أنواع xالجسم f x، أي أن القيمة من النوع f xلكل x. يُكتب التحديد الكمي الوجودي على النحو التالي${\displaystyle \exists xf(x)}$أو exists x. f xو هو الاتحاد على جميع أنواع xالجسم f x، أي أن القيمة من النوع f xلبعض x.

في لغة هاسكل، يتم استخدام التحديد الكمي الشامل بشكل شائع، ولكن يجب ترميز الأنواع الوجودية عن طريق التحويل exists a. f aإلى forall r. (forall a. f a -> r) -> rنوع مشابه.

النوع المُحسَّن هو نوع مُزوَّد بصفةٍ يُفترض أنها تنطبق على أي عنصر من عناصر النوع المُحسَّن. على سبيل المثال، يمكن كتابة نوع الأعداد الطبيعية الأكبر من 5 على النحو التالي:${\displaystyle \{n\in \mathbb {N} \,|\,n>5\}}$

النوع التابع هو نوع يعتمد تعريفه على قيمة. ومن الأمثلة الشائعة على الأنواع التابعة الدوال التابعة والأزواج التابعة. قد يعتمد نوع القيمة المُعادة من دالة تابعة على قيمة (وليس نوع) أحد وسيطاتها. وقد يحتوي الزوج التابع على قيمة ثانية يعتمد نوعها على القيمة الأولى.

نوع التقاطع هو نوع يحتوي على القيم التي تنتمي إلى نوعين محددين. على سبيل المثال، في لغة جافاBoolean ، تُنفذ الفئة كلاً من الواجهتين ` Serializableand` و`and` Comparable. لذلك، فإن كائنًا من النوع `and` Booleanهو عضو في النوع `and` Serializable & Comparable. وباعتبار الأنواع مجموعات من القيم، فإن نوع التقاطع${\displaystyle \sigma \cap \tau }$هو التقاطع النظري للمجموعات لـ${\displaystyle \sigma }$و${\displaystyle \tau }$من الممكن أيضًا تعريف نوع تقاطع تابع، يُشار إليه بـ${\displaystyle (x:\sigma )\cap \tau }$، حيث النوع${\displaystyle \tau }$قد يعتمد ذلك على متغير المصطلح${\displaystyle x}$[ ^{14 ]​}

تُمثل بعض لغات البرمجة معلومات النوع كبيانات، مما يُتيح استكشاف النوع والبرمجة الانعكاسية . في المقابل، تتجنب أنظمة الأنواع ذات الرتبة العليا ، رغم سماحها بإنشاء أنواع من أنواع أخرى وتمريرها إلى الدوال كقيم، عادةً الاعتماد عليها في اتخاذ القرارات الحسابية .

لتسهيل الاستخدام، قد توفر لغات البرمجة وقواعد البيانات عالية المستوى أنواع بيانات جاهزة من "العالم الحقيقي"، مثل الأوقات والتواريخ والقيم النقدية (العملات). ^{[ 15 ] [ 16 ]} قد تكون هذه الأنواع مضمنة في اللغة نفسها أو مُطبقة كأنواع مركبة في مكتبة برمجية. ^{[ 17 ]}