Почему компьютеры считают с нуля?

Подсчет массивов от 0 упрощает вычисление адреса памяти каждого элемента.

Если массив хранится в данной позиции в памяти (это называется адресом), позиция каждого элемента может быть вычислена как

element(n) = address + n * size_of_the_element 

Если вы считаете первый элемент первым, вычисление становится

element(n) = address + (n-1) * size_of_the_element 

Не сильно отличается, но добавляет ненужное вычитание для каждого доступа.

редактировать

• Использование индекса массива в качестве смещения - это не требование, а просто привычка. Смещение первого элемента может быть скрыто системой и учтено при выделении и обращении к элементу.

• Дейкстра опубликовал статью «Почему нумерация должна начинаться с нуля» ( pdf ), где он объясняет, почему начинать с 0 - лучший выбор. Начиная с нуля, можно лучше представить диапазоны.

Хотя приведенные ниже принципы применимы и к десятичной, и к любой другой базе, отсчет от 0 в компьютерах можно легко понять из двоичной системы с фиксированными цифрами для представления чисел, используемых в компьютерах. Если у вас есть 8 битов, то есть 256 возможных комбинаций 1 и 0, которые могут быть выражены. Вы можете использовать эти 8-битные числа для выражения чисел 1-256, но при этом не будет 0, что полезно в математике как само по себе число, поэтому они используются для выражения чисел 0-255.

Это уже устанавливает прецедент естественного порядка, начиная с 0 (все 0 в двоичном представлении) до 255 (все 1 в 8-битном числе). Рассматривая систему представления чисел, начинать с 0 имеет смысл, потому что 0 - это «первое» число в системе, поэтому 1 - это «второе» число и так далее.

Дополнительная причина, по которой начинать с 0 в компьютерах так удобно, связана с концепцией смещений. Смещение - это число, представляющее расстояние от места в памяти, на жестком диске или на любом другом «адресуемом» носителе. В компьютерах практически все данные хранятся линейно, что означает, что существует порядок данных: первый байт, второй байт и т. Д. Удобно выражать местоположение «областей» данных через смещение. Какой первый байт в блоке данных? Он находится со смещением «0», что означает, что он находится в 0 байтах после первого байта в блоке данных. Несмотря на то, что «1» может обозначать первый байт, это создает сложности при представлении данных по нескольким причинам:

• Исключая использование 0 для адресации данных, вы сокращаете число вещей, к которым вы можете обращаться с помощью 8-битного числа, на единицу.
• Чтобы вычислить смещение, которое необходимо на аппаратном уровне доступа к данным, в какой-то момент вы должны вычесть одно из нумерации, что представляет сложность.
• Указатели на блок данных всегда указывают на первый блок, поэтому арифметика проста, когда вы начинаете с 0. (т.е. 1-й байт в первом блоке первого кластера данных равен 0 + 0 + 0, когда вы начинаете с 0, это 1 + 1 + 1 - 1 -1, когда вы начинаете с 1.) Арифметика для этого, когда вы начинаете с 1 с вложенными структурами данных, как этот пример, может сбивать с толку.

Никогда не думал, что такая возможность для такого философа, как я, появится на Superuser. В основе лежит фундаментальное заблуждение, потому что нефилософы склонны пропускать мелкие детали. Вкратце: компьютеры не отсчитывают от нуля, но наименование позиций начинается с нуля.

В этом кажущемся несоответствии между компьютерной и человеческой (любой) техникой подсчета нет ничего странного. Давайте разложим вопрос.

Почему компьютеры считают с нуля?

• Они не считаются с нуля

Компьютеры подсчитывают значения, начиная с нуля. Например, массивы в C.

• Индекс (индикатор положения, подсчет) начинается с нуля. Количество элементов в массиве, где есть один элемент с индексом ноль один

Ноль практичен для представления пустоты чего-либо или средней точки шкалы. Это не практично для подсчета, потому что это невозможно по определению нуля.

В том же смысле, что и средняя точка шкалы, ноль можно использовать для представления самого края (абсолютного начала) коллекции. Вопрос не имеет смысла, потому что он не согласуется между «значениями подсчета» и «отсчетом с нуля».

Так что да, компьютеры подсчитывают с нуля, но они считаются с одного. Два слова имеют разное значение.

tal·ly [tal-ee]

имя существительное

1. счет или расплата; запись дебета и кредита, счета в игре или тому подобное.
2. все, на чем ведется счет или счет ..
3. количество или группа записанных предметов.

считать [ количество ]

глагол (используется с объектом)

1. проверять (отдельные единицы или группы коллекции) одну за другой, чтобы определить общее количество; сложить; перечислите: он пересчитал свои билеты и обнаружил, что у него было десять.
2. считаться; вычислить; вычислить.
3. перечислить или назвать цифры до: Закройте глаза и сосчитайте до десяти.

(Dictionary.com)

Практические причины адекватно описаны Дугви, мне нечего там добавить. Если бы у нас был профессор CS (60-х годов), чтобы дать исторический отчет ...

Я думаю, что это уже освещалось " проф. Доктором Эдсгером В. Дейкстра " - научным сотрудником Берроуза в письме от 11 августа 1982 г .: cf EWD831

Под названием: Почему нумерация должна начинаться с нуля . «Есть ли причины отдавать предпочтение одному соглашению другому? Да, есть…»

Также обратите внимание, что Дейкстра был в команде разработчиков ALGOL 68 до 1968 года. Algol68 допускает массивы либо от 0, 1, либо от любого числа, которое программист сочтет подходящим для алгоритма. cf ( «Создание Алгола 68» рассказывает: «Можете ли вы определить треугольные массивы?» кто-то (Тони Хоар?) прервал. «Не только треугольный, но даже эллиптический», ответил Аад и показал, как ».)

В частности, в Algol68, когда массивы (и матрицы) срезаются, они получают индекс @ 1, поэтому наблюдается смещение к массивам [1: ...]. Но «1- ^ую » нижнюю границу можно переместить, чтобы начать с «0- ^й » позиции, указав «@ 0», например, вектор x [4: 99 @ 2], матрицу y [4: 99 @ 1,4: 99 @ 0]. Аналогично, по умолчанию / смещение от 1 в циклах do ~ od (если явно не указано " from 0") и от 1 для целочисленного случая i в ~, ~, ~ esac и $ c (~, ~, ~ ) $ выбор статей.

Кажется, что комментарии Дейкстры о мартовском проекте отчета 1968 года ( MR93 ) и его настойчивость спровоцировали то, что, возможно, является войной пламени до начала использования : «есть сочинения, которые привлекательны, хотя и не грамматичны, и есть другие сочинения, которые являются чрезвычайно грамматическими, но отвратительно. Это то, что я не могу объяснить поверхностным людям ". EWD230

Заключительный отчет Алгола 68 (FR) был опубликован 20 декабря 1968 года, когда он был представлен на Мюнхенском совещании, а затем принят Рабочей группой. Впоследствии отчет был утвержден Генеральной Ассамблеей ИФИП ЮНЕСКО для публикации.

Около 23 декабря (?) 1968 года Дейкстра, Дункан, Гарвик, Хоар, Рэнделл, Зигмюллер, Турски, Вуджер и Гарвик подписали «Отчет меньшинства» AB31.1.1.1, стр. 7 (опубликовано в 1970 году).

Дистанционная аналогия, приведенная кем-то другим, дает очень практическую иллюстрацию:

"Как далеко ваш дом от ближайшей заправки?"

"1 миля"

"Вы живете на заправке?"

«Нет, если бы я жил на заправке, это было бы 0 миль»

"Почему ты считаешь с нуля, а не с одного?"

Другим хорошим примером были бы дни рождения - мы не говорим, что кому-то исполнился год, а мы - год спустя.

Мы говорим о високосных годах или президентских выборах в США каждые четыре года, даже если считать одно: 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 годы - пять лет. (Между прочим, римляне на некоторое время облажались, и високосные годы были слишком близко друг к другу)

Суть в том, что в реальном мире мы все время «отсчитываем» от нуля - «Сколько позиций после [начала массива] - это элемент, который вы хотите» просто оказывается вопросом, на который вы отвечаете с отсчетом от нуля во многих компьютерных программах. Вы бы не сказали, что первый элемент - одна позиция после старта, не так ли? Это является началом.

Как уже говорили другие компьютеры, не считайте с нуля .

Индекс некоторых языков от 0. Индексирование от 0 имеет два основных преимущества:

1. Он преобразуется в сборку естественным образом, поскольку его можно интерпретировать как смещение от указателя на первую позицию.

2. Вы не получаете странности, когда вы хотите негативы. Сколько лет между 1BC и 1AD? Никто. Потому что, хотя до н.э. фактически отрицательные даты, нулевого года нет. Если бы был 0AD, не было бы здесь никаких проблем. Вы видите ту же проблему повсюду в науке, где люди наивно определили первый элемент в наборе как +1.

Подсчет естественно начинается с нуля

Вот алгоритм подсчета яблок в корзине:

count := 0  for each apple in basket count := count + 1 

После выполнения вышесказанного, countдержится количество яблок. Это может быть ноль, потому что корзины могут быть пустыми.

Если вы не пользуетесь своей кредитной картой целый месяц, получаете ли вы счет в 1 доллар? Или 1 цент?

Когда вы сбрасываете счетчик пробега на одометре вашего автомобиля, он переходит на 0001 или 0000?

Массивы могут предоставлять несколько представлений одних и тех же данных.

Рассмотрим массив из 32-битных структур d, каждая из которых состоит из 16-битных слов w. Каждое слово состоит из двух 8-битных байтов b. При нулевой индексации наложение выглядит очень удобно:

d: | 0 | 1 | w: | 0 | 1 | 2 | 3 | b: |0|1|2|3|4|5|6|7| 

32-битный объект d[1]по адресу слова, w[2]который легко вычисляется путем умножения индекса на 2, который является отношением размеров 32- и 16-битного объекта. Кроме того, в байтовой адресации это так b[4].

Это работает, потому что ноль равен нулю, в каждой единице измерения: байт, слово, двойное слово и так далее.

Посмотрите на приведенную выше диаграмму: она очень похожа на линейку, где преобразование единиц интуитивно понятно.

С одним основанным индексированием это ломает:

d: | 1 | 2 | w: | 1 | 2 | 3 | 4 | b: |1|2|3|4|5|6|7|8| 

Теперь мы не можем просто умножить dиндекс на 2, чтобы получить wиндекс, или на 4, чтобы получить bиндекс. Преобразование между единицами становится неуклюжим. Например, чтобы перейти от d[2]к b[4], мы должны рассчитать ((2 - 1) * 4) + 1 = 5.

Мы должны вычесть это надоедливое смещение 1 в dединицах, затем выполнить масштабирование в естественной системе координат, основанной на нуле, и затем добавить обратно надоедливое 1 в bединицах. Обратите внимание, что это не то же самое 1! Мы вычитаем ширину одного двойного слова, но затем добавляем ширину в один байт .

Преобразование между различными представлениями данных становится чем-то вроде преобразования Цельсия-Фаренгейта.

Те, кто говорят, что с одноосновными массивами легко иметь дело на уровне реализации, потому что есть только простое вычитание 1, обманывают себя и вас. Это верно только в том случае, если мы не делаем никаких вычислений масштабирования для различных типов данных. Такие вычисления выполняются в любой программе, которая имеет гибкий взгляд на данные (например, многомерный массив, также доступный как одномерный) или который управляет хранением: например, распределитель памяти, файловая система или библиотека буфера видеокадров.

Минимизация цифр

В любой базе, если мы хотим использовать наименьшее количество цифр для реализации диапазона значений, который является степенью основания, мы должны начинать с нуля. Например, в базовой десятке трех цифр достаточно, чтобы дать нам тысячу различных значений от 0 до 999. Если мы начнем с 1, мы переполняемся только одним значением, и нам нужны четыре цифры.

Это важно в компьютерах, потому что количество цифр в двоичном коде переводится в аппаратные адресные строки. Например, чип ПЗУ с 256 словами в нем может быть адресован от 0 до 255, что требует 8 битов: от 00000000 до 11111111. Если он адресован от 1 до 256, то необходимы девять битов. Мы должны расточительно добавить еще одну трассировку адресов к плате или интегральной схеме. Так что на практике может случиться так, что 0 будет просто называться1 на уровне программного API для доступа к этому чипу. Запрос слова 1 фактически поместил бы 00000000 на 8-битную адресную шину. В противном случае запрос на 1 будет преобразован в адрес 00000001, как и ожидалось, но запрос на 256 будет сопоставлен с неиспользуемым в противном случае 8-битным адресом 00000000, а не с 9-битным адресом 100000000. Оба этих кладбищ-кусочка действительно являются решениями в поиск проблемы, и полностью исключаются путем последовательного использования от 0 до 255 на оборудовании, в программном обеспечении и во всех пользовательских интерфейсах и документации.

Единичные смещения в корне глупы

Рассмотрим, например, западную теорию музыки. У нас есть диатонические весы с семью нотами, но мы называем пространство, которое они покрывают октавой ! Затем инверсия интервалов следует правилу девяти : например, инверсия третьего является шестым (вычтите три из девяти). Таким образом, три разных числа используются для чего-то такого простого: семь (ноты в шкале), восемь (октава) и девять (от вычитания до инвертирования).

Если бы семь нот составляли септав или гептав, а интервалы были равны нулю, то мы вычли бы из семи до инвертирования. Все основано на семи.

Кроме того, интервалы могут быть легко сложены. В нынешней системе, если мы прыгнем на пятую, а затем еще на четверть, а затем на треть, мы не можем просто добавить их. Результирующий интервал на два меньше. Это не двенадцатый, а фактически десятый! На каждом этапе мы должны вычесть один. Повышение на пятую, а затем на четвертую - не девятый, а только октава.

В разумно разработанной музыкальной системе мы могли бы просто добавить интервалы для определения результирующих скачков. Последовательность нот, которая начинается и заканчивается на одной и той же ноте, будет иметь свойство, аналогичное закону напряжения вокруг цепи: все интервалы будут прибавляться к нулю.

Теория музыки и письменность сильно устарели. Большая часть этого не изменилась, так как дни, когда сочинение было сделано ручками при свете свечи.

Системы на основе одного путают одних и тех же людей, которые не могут обрабатывать массивы с нулями

Когда наступил 2000 год, многие были озадачены тем, что новое тысячелетие не началось. Те, кто указывал на то, что это не начнется до 2001 года, были расценены как партийные пижоны и паутины. В конце концов, вам 20, когда вам исполняется 20, верно? Не тогда, когда вам исполнится 21 год. Если вы думали, что тысячелетие началось 1 января 2000 года, то вы не имеете права жаловаться на массивы с нулями на любом языке программирования. Они работают так, как вам нравится. (Но, да, сторонниками смещений и массивов по принципу «один на один» являются dweebs и party-poopers. Столетия должны начаться в XX00 годах, а тысячелетия - в X000 лет.)

Календари тупые, но по крайней мере время суток начинается с нуля

Каждая новая минута на ваших часах начинается с: 00 секунд. Каждый новый час начинается с 00:00 минут и секунд. И, по крайней мере на 24-часовых часах, день наступает, когда наступает полночь, и 11:59:59 увеличивается до 00:00:00.

Таким образом, если вы хотите вычислить секунды с полуночи для времени, подобного 13:53:04, вам просто нужно оценить 13 * 3600 + 53 * 60 + 4. Нет безвкусных 1дополнений или вычитаний.

Закрывающая напыщенная речь о MIDI

Хорошо, что это с музыкантами, даже предположительно техническими?

MIDI! Он использует нумерацию с нуля для программ и каналов при фактическом представлении сообщений в проводном режиме, но устройство Gear отображает его как 1 на основе! Например, программы от 0 до 127 на большинстве передач называются от 1 до 128, но некоторые вызывают их от 0 до 127 или даже предоставляют пользователю выбор.

Программы с 71 по 80 считаются «банком» из десяти. Так сказано прямо на моей педали MIDI, например. Футсвитчи помечены цифрами от 1 до 10, и, если я нахожусь в седьмом банке, они выбирают программы с 71 по 80. Однако некоторые устройства или компьютерные программы отображают номера программ с 1 по 128 от 0 до 127 или даже дают пользователю выбор! Что хуже: системы на основе одного или хаос, созданный с использованием как одного, так и нулевого уровня, основанного одновременно?

Номера каналов MIDI называются от 1 до 16, но представлены двоичными числами от 0 до 15. Как будто вне зависимости от представления на основе одного, некоторые устройства используют дисковый переключатель для настройки номера канала, и часто эти переключатели просто используют двоичный код на основе нуля. Таким образом, если вы хотите канал 3, вы должны переключить его на 0010 (двоичный 2).

Если я правильно помню из моего класса «Концепции языка программирования» ... языки с 0 индексами и другие с 1 индексом были связаны с историческими причинами. Алгол-68, прародитель языков программирования был на самом деле 1-индексирован, а также Фортран и некоторые другие «деловые» языки, такие как COBOL. Однако в некоторых из этих языков вы могли бы явно указать, каким будет ваш начальный индекс. Там очень интересная таблица это здесь .

В основном в « Ye Olde Days » математики, ученые и другие «академики» обычно использовали 0-индексированные языки, в то время как пользователи таких языков, как COBOL, не нашли смысла начинать считать с 0, поэтому в этих языках было больше смысла начать с 1 (это казалось менее запутанным).

Теперь, если ваш вопрос касается того, почему компьютер ( не язык ) естественным образом начинает считать с нуля ... ну, я думаю, что в действительности двоичный код присущ: ex: 0000= zero 0001= one ... и так далее, и так далее. далее ...

Число 0 может обозначать различные значения: числовое значение, порядковый номер, адрес памяти и т. Д.

«Индекс ноль» не означает, что программисты считают с нуля. Он обозначает первое место выделенного блока памяти, а «0» - его адрес.

В C цикл через массив можно записать так:

int arr[N]; for (i=0; arr[N]; ++i) { ... } 

Такую же работу можно проделать в C #:

Object[] arr;  for (Object o in arr) { ... } 

Я думаю, что нет подсчета в обоих примерах.

Начинать с нуля целесообразно при описании расстояния от чего-либо. Итак, в этом массиве:

[4,9,25,49]

расстояние от начала массива до 25 равно 2 - вам нужно пропустить два шага, чтобы добраться туда. Расстояние до 4 равно нулю - вам вообще не нужно двигаться с самого начала.

При сложении расстояний (или индексов) так думать целесообразно - я продвигаюсь на один шаг, затем на ноль, затем на два шага, где я? Я с индексом 1 + 0 + 2 = 3. Пропустив три шага, я получаю 49 в массиве выше.