Abstraktní datové typy

Prezentace na téma: "Abstraktní datové typy"— Transkript prezentace:

1 Abstraktní datové typy

2 Abstraktní datové typy (ADT)
datová struktura + operace nad touto strukturou jsou většinou dynamické velikost (počet prvků) se dynamicky mění vkládání výběr prvků

3 ADT spojový seznam fronta zásobník množina strom obecný graf
budeme probírat samostatně

4 Spojový seznam určen pro dynamický seznam (lexikon), kde není znám počet prvků seznamu a jejich počet se často mění (vkládání, mazání) např. v MS Windows je takto uložen seznam ovladačů sdílejících jeden vektor přerušení

5 Spojový seznam používá se také pro uložení obecného grafu 3 1 3 konec
zacatek 3 1 3

6 implementace v C: typedef struct TPolozka { int prvek;
TPolozka *dalsi; } TPolozka; typedef struct { TPolozka *zacatek; TPolozka *konec; } TSeznam; pokud se při deklaraci struktury odkazujeme na ni, napíšeme jméno ještě před „{“

7 TSeznam sez1; void Init(TSeznam *seznam) { seznam -> zacatek = NULL; seznam -> konec = NULL; }

8 Vložení na konec seznamu
dynamicky vytvořím novou položku (ukazatel na další položku nastavím na NULL) konec zacatek 3 5 1 3 nova

9 Vložení na konec seznamu
ukazatel dalsi u posledního prvku seznamu nastavím na novou položku konec zacatek 3 1 3 5 nova

10 Vložení na konec seznamu
posunu ukazatel na konec seznamu konec zacatek 3 1 3 5 nova Pozor, vkládám-li do prázdného seznamu

11 void Vloz_na_konec(TSeznam *seznam, int cislo)
{ TPolozka *nova; nova = (Tpolozka*)malloc(sizeof(Tpolozka)); nova -> prvek = cislo; nova -> dalsi=NULL; if (seznam -> zacatek != NULL) seznam -> konec -> dalsi = nova; seznam -> konec = nova; } else { seznam -> konec = nova; seznam -> zacatek = nova; }

12 Vložení do seznamu za prvek
dynamicky vytvořím novou položku prvek konec zacatek 3 1 3 5 nova

13 Vložení do seznamu za prvek
prováži nový prvek se seznamem prvek konec zacatek 3 1 3 5 nova

14 Obousměrný spojový seznam
položka obsahuje ukazatel na předchůdce i následníka zacatek konec 3 1 3

15 Úkol naimplementujte spojový seznam (jedno-směrně nebo obousměrně vázaný), do kterého se ukládají jména a telefonní čísla naimplementujte tyto procedury a funkce: inicializace prázdného seznamu test, zda je seznam prázdný vložení záznamu na konec seznamu vložení záznamu za prvek (parametrem je ukazatel na prvek, za který se vkládá, a nové jméno a telefonní číslo)

16 hledání záznamu (podle jména i telef
hledání záznamu (podle jména i telef. čísla) - vrací ukazatel na záznam, pokud není v seznamu, vrací NULL zjištění ukazatele na první záznam zjištění ukazatele na následující záznam výmaz prvku (parametrem je ukazatel na existující prvek, který se má vymazat) zrušení celého seznamu napište jednoduchou konzolovou aplikaci pro otestování implementace seznamu; data zadávejte z klávesnice nemusíte využít všechny funkce

17 Fronta datová struktura typu FIFO
First In - First Out prvky se odebírají v pořadí, jak byly vkládány

18 Možné implementace jako spojový seznam polem pevné délky
„neomezená“ velikost fronty (omezená pouze velikostí dostupné paměti) operace vložení prvku znamená vložení prvku na konec seznamu operace výběr prvku je výběr z čela fronty polem pevné délky fronta s omezenou velikostí implementuje se jako tzv. kruhová fronta

19 Implementace pomocí spoj. seznamu
fronta reprezentována ukazatelem na čelo fronty a poslední prvek ve frontě prvek fronty nese hodnotu a ukazatel na další prvek ve frontě

20 typedef struct TPrvek {
int x; TPrvek *dalsi; } TPrvek; typedef struct { TPrvek *celo; TPrvek *konec; } TFronta;

21 celo konec NULL

22 celo konec NULL vloz(3)

23 3 celo konec vloz(3)

24 3 celo konec vloz(3) vloz(5)

25 3 5 celo konec vloz(3) vloz(5)

26 3 5 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)

27 3 5 10 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)

28 3 5 10 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)

29 3 5 10 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)
vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3

30 5 10 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)
vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3

31 5 10 celo konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)
vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8)

32 5 10 8 celo konec konec vloz(3) vloz(5) vloz(10)
vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8)

33 eventuálně TFronta *init()
Operace nad frontou void init(TFronta *f), eventuálně TFronta *init() inicializace, vytvoří prázdnou frontu int je_prazdna(TFronta *f) testuje na prázdnou frontu void vloz(TFronta *f, int prvek) vloží prvek na konec fronty int vyjmi(TFronta *f) vyjme prvek z čela fronty void zrus(TFronta *f)

34 int vyjmi(TFronta *f) { int prvek; TPrvek *pom; if (f->celo == NULL) return -1; prvek = f->celo->x; pom = f->celo; f->celo = f->celo->dalsi; free(pom); return prvek; }

35 odstranění problému je ve správném používání knihovních funkcí
spoléhat se na návratovou hodnotu -1, pokud je fronta prázdná, není nejlepší řešení nepoznám, zda byla vyjmuta -1 nebo byla prázdná fronta lépe by bylo např. nastavovat chybovou proměnnou odstranění problému je ve správném používání knihovních funkcí před každým voláním funkce vyjmi() aplikace otestuje, zda není fronta prázdná např. while (!je_prazdna(&f))

36 Implementace pomocí pole pevné délky
fronta je reprezentována polem a indexem čela a konce fronty fronta má pevnou délku a je implementována jako kruhová (modulo délka pole) je nutné implementovat ještě dotaz, zda je fronta plná

37 Fronta délky n = 3 1 2 celo: konec: prázdná plná

38 Fronta délky n = 3 1 2 celo: konec: prázdná plná vloz(3)

39 Fronta délky n = 3 1 2 celo: 3 konec: 1 prázdná plná vloz(3)

40 Fronta délky n = 3 1 2 celo: 3 konec: 1 prázdná plná vloz(3) vloz(5)

41 Fronta délky n = 3 1 2 celo: 3 5 konec: 2 prázdná plná vloz(3) vloz(5)

42 Fronta délky n = 3 3 5 1 2 celo: konec: 2 prázdná plná vloz(3) vloz(5)
1 2 celo: 3 5 konec: 2 prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3

43 Fronta délky n = 3 3 5 1 2 celo: 1 konec: 2 prázdná plná vloz(3)
1 2 celo: 1 3 5 konec: 2 prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3

44 Fronta délky n = 3 3 5 1 2 celo: 1 konec: 2 prázdná plná vloz(3)
1 2 celo: 1 3 5 konec: 2 prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8)

45 Fronta délky n = 3 3 5 8 1 2 celo: 1 konec: prázdná plná vloz(3)
1 2 celo: 1 3 5 8 konec: prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8)

46 Fronta délky n = 3 3 5 8 1 2 celo: 1 konec: prázdná plná vloz(3)
1 2 celo: 1 3 5 8 konec: prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8) vloz(10)

47 Fronta délky n = 3 10 5 8 1 2 celo: 1 konec: 1 prázdná plná vloz(3)
1 2 celo: 1 10 5 8 konec: 1 prázdná plná vloz(3) vloz(5) vyjmi() – vrátí hodnotu z čela fronty - 3 vloz(8) vloz(10)

48 index celo ukazuje na prvek pole na čele fronty, který bude odebrán
index konec ukazuje na prvek v poli, kam se zapíše nový prvek pokud se indexy celo a konec rovnají, je fronta buď plná nebo prázdná podle rovnosti indexů není možné rozlišit stav fronty musím tedy tyto stavy uchovávat zvlášť pravidlo: pokud se po přidání prvku indexy rovnají, je fronta plná (obdobně: prázdná)

49 typedef struct { int *pole; int n; /* velikost pole */ int celo, konec; int plna, prazdna; } TFronta2; int init(TFronta2 *f, int vel) { f->prazdna = 1; f->plna = 0; f->n = vel; f->celo = f->konec = 0; f->pole = (int*)malloc(sizeof(int)*vel); if(f->pole!=NULL) return 1; return 0; }

50 int je_prazdna(TFronta2 *f)
{ return f->prazdna; } int vloz(TFronta2 *f, int prvek) if (!f->plna) f->prazdna = 0; f->pole[f->konec]=prvek; f->konec = (f->konec+1)% f->vel; if (f->konec == f->celo) f->plna=1; return 1; return 0;

51 void zrus(TFronta2 *f) { free(f->pole); } Poznámka: implementace pomocí pole, které by se zvětšovalo dynamicky při zaplnění fronty, by byla mírně komplikovaná. Proč?

52 K čemu se dá fronta jako ADT využít:
fronta událostí v diskrétních simulačních systémech dopravy počítačových sítí číslicových systémů systémů hromadné obsluhy - fronta zákazníků algoritmy procházení grafu do šířky

53 Zásobník (Stack) datová struktura typu LIFO
Last In - First Out nejprve se vybírá prvek, který byl vložen na vrchol (top) zásobníku jako poslední operace: PUSH (uložení hodnoty na vrchol zásobníku) POP (odebrání hodnoty z vrcholu zásobníku)

54 někdy bývá implementována také operace TOP
zjištění hodnoty na vrcholu zásobníku bez odebrání prvku PUSH POP vrchol

55 Možné implementace na principu spojového seznamu
„neomezená“ velikost zásobníku (omezená pouze velikostí dostupné paměti) operace vložení prvku znamená vložení prvku na konec seznamu operace výběr prvku je výběr z konce seznamu polem (pevné nebo proměnné délky) kruhová implementace není potřebná

56 Implementace na principu spojového seznamu
zásobník reprezentován ukazatelem na vrchol zásobníku prvek nese hodnotu a ukazatel na předchozí prvek v zásobníku

57 typedef struct TPrvek {
int x; TPrvek *predch; } TPrvek; typedef struct { TPrvek *vrchol; } TZasob;

58 2 4 1 vrchol vrchol vrchol NULL vloz(2) vloz(4) vloz(1)
vyjmi() – vyjme a vrátí hodnotu z vrcholu zásobníku - 1 vloz(1)

59 Operace nad zásobníkem
void init(TZasob *z), eventuálně TZasob *init() inicializace, vytvoří prázdný zásobník int je_prazdny(TZasob *z) test na prázdný zásobník void push(TZasob *z, int prvek) vloží prvek na vrchol zásobníku int pop(TZasob *z) vyjme prvek z vrcholu zásobníku void zrus(TZasob *z)

60 TZasob* init() { TZasob *zas =(TZasob*)malloc(sizeof(TZasob)); zas->vrchol = NULL; return zas; } int pop(TZasob *z) int prvek; TPrvek *pom; if (z->vrchol != NULL) prvek = z->vrchol->x; pom = z->vrchol->predch; free(z->vrchol); z->vrchol = pom; return prvek; return -1;

61 Použití zásobníku ( v této implementaci):
TZasob *zas; zas = init(); push(zas,3); push(zas,4); pop(zas); zrus(zas); free(zas);

62 Implementace pomocí pole
obdobně jako fronta implementace je snazší není třeba implementovat „kruhově“ stačí index na vrchol zde je efektivní i implementace s dynamicky se měnící velikostí pole při přidávání prvku

63 K čemu se dá zásobník jako ADT využít:
obrácení pořadí příchozích dat ukládání dat při eliminaci rekurze algoritmy procházení grafu do hloubky

64 Množina jazyk C neobsahuje datový typ množina Požadavek:
implementovat množinu takovým způsobem, aby operace vložení a vyjmutí prvku, testu, zda je prvek v daném množině, měly operační složitost O(1) – konstantní prvek je v množině obsažen „pouze jednou“

65 běžně se množina reprezentuje bitovým polem
prvek s indexem i je prvkem množiny, je-li bit nahozen (tzv. charakteristická funkce) tato reprezentace umožňuje snadnou implementaci operací: vložení prvku nahozením bitu pomocí operace or vyjmutí prvku nulováním bitu pomocí operace and test na existenci prvku pomocí operace and vytvoření doplňku pomocí operace negace sjednocení pomocí operace or atd.

66 protože je velikost paměti počítače konečná, musí být i univerzum konečné
implementaci množiny si budeme demonstrovat na množině ASCII znaků

67 počet ASCII znaků je 256 Poznámka:
bitové pole musí mít 256 bitů, tj. 256/8 = 32 bajtů (slabik) typedef struct { unsigned char pole[32]; } TMnozZnaku; Poznámka: efektivnější by bylo použít pole typu int o velikosti 256/(sizeof(int)*8), z pedagogických důvodů použijeme typ char, kde je velikost pole dána konstantou

68 operace vyprázdnění množiny představuje vynulování všech prvků pole
void vyprazdni(TMnozZnaku *m) { memset(m->pole,0,32); } Doplněk množiny doplněk množiny vytvoříme bitovou negací celého pole

69 je třeba nastavit příslušný bit
void doplnek(TMnozZnaku *m) { for(int i=0;i<32;i++) m->pole[i] = ~(m->pole[i]); } Vložení prvku je třeba nastavit příslušný bit pomocí operace logického součtu s konstantou pro výpočet adresy nastavovaného bitu musíme vytvořit mapovací funkci

70 Příklad mapovací funkce - tabulka
kód znaku slabika bit ve slabice 1 7 8 9

71 adresa slabiky sl = i / 8 adresa bitu ve slabice bit = i % 8
celočíselné dělení číslem 8 sl = i / 8 adresa bitu ve slabice zbytek po celočíselném dělení číslem 8 bit = i % 8 s příslušným bitem ve slabice budeme pracovat pomocí masky, kterou získáme operací posuvu konstanty 1 o počet bitů, který je roven adrese bitu ve slabice

72 void vloz(TMnozZnaku *m, unsigned char znak)
{ int sl = znak / 8; unsigned char maska = 1 << (znak % 8); m->pole[sl] |= maska; } Vyjmutí prvku při vyjímání prvku je maska negována a provádí se operace logického součinu (and, &)

73 operace logického součinu nad bitovými poli obou množin
Průnik dvou množin operace logického součinu nad bitovými poli obou množin void doplnek(TMnozZnaku *m1, TMnozZnaku *m2, TMnozZnaku *m3) { for(int i=0;i<32;i++) m3->pole[i] = m1->pole[i] & m2->pole[i]; }

74 Jakou použijeme operaci při implementaci sjednocení dvou množin?
logický součet Jak bude vypadat testování přítomnosti prvku v množině? if (m->pole[sl] & maska != 0)

75 pokud je univerzum velké nebo nelze prvkům přiřadit indexy pole, pak je nutné množinu implementovat méně efektivně binárním stromem se operací hledání se složitostí log2n, kde n je počet uzlů stromu (aktuální počet prvků množiny) musí být definováno uspořádání na univerzu, tj. je nutné umět porovnat dva prvky a rozlišit, který je menší, jinak je nutné použít neuspořádané pole prvků nebo spojový seznam