Podstawy programowania II

1. Zachodniopomorska Szkoła Biznesu Podstawy programowania II Wykład 5: Dynamiczne struktury danych

2. Struktury danych • Dane - model rzeczywistości • Złożoność i wielość danych opisujących dany problem • Potrzeba organizacji danych w logiczne całości zwane strukturami danych • grupowanie danych w sposób odzwierciedlający rzeczywiste związki pomiędzy danymi • opis podobnych obiektów za pomocą jednakowych zestawów danych • Korzyści płynące z budowy struktur danych • ułatwienie projektowania oprogramowania • możliwość automatyzacji przetwarzania danych • efektywniejsze zarządzanie pamięcią Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

3. Statyczne struktury danych • W przypadku problemów prostych i ograniczonych pod względem liczby przetwarzanych danych stosuje się struktury statyczne, których rozmiary i organizacja są niezależne od samych danych i liczby obiektów • Typowe dane statyczne: • dane proste • tablice statyczne danych prostych • rekord • tablica statyczna rekordów Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

4. Dynamiczne struktury danych • Jeżeli problem jest złożony lub dane bardzo liczne, użycie statycznych struktur powoduje: • niemożność efektywnego zarządzania pamięcią • niemożność odzwierciedlenia związków pomiędzy poszczególnymi obiektami wśród przetwarzanych danych • Rozwiązaniem jest tworzenie dynamicznych struktur danych, których organizacja w pewnym stopniu budowana jest już na etapie wykonania programu. Wymaga to: • dynamicznego zarządzania pamięcią • organizacji danych w struktury zawierające m.in. powiązania pomiędzy obiektami • Pozwala to na odzwierciedlenie związków pomiędzy obiektami, co umożliwia znacznie efektywniejsze przetwarzaniedanych (np. wyszukiwanie, sortowanie itp.) Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

5. Tworzenie struktur dynamicznych • Elementarną strukturą danych w tym ujęciu jest rekord, który stanowi opis pojedynczego obiektu za pomocą pewnej liczby prostych danych (lub niewielkich struktur statycznych) • Element, który jest charakterystyczny dla struktur dynamicznych to wprowadzenie do każdego rekordu jednego lub kilku powiązań z innymi obiektami (podobnego lub innego typu) • W przypadku języka C++: • rekordy mają postać struktur (lub klas) • powiązania mają postać wskaźników • poszczególne obiekty tworzone są za pomocą dynamicznej alokacji pamięci Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

6. Typowe struktury dynamiczne • Lista • jednokierunkowa • dwukierunkowa • cykliczna • Drzewo • drzewo binarne • Kolejka (zastosowanie listy) • FIFO • LIFO (Stos) Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

7. Lista jednokierunkowa ... Dane 1 Dane 2 Dane n begin • Model: • Deklaracja w C++: struct Rekord{ // zestaw danych ma temat jakiegoś obiektu,np. float dana; Rekord *next; // wskaźnik na następny rekord};Rekord *begin=NULL; // wskaźnik na początek listy // NULL oznacza ostatni rekord // na początku lista jest pusta Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

8. Przeglądanie listy • Służy do tego wskaźnik, który początkowo wskazuje na początek listy, a następnie cyklicznie przesuwa się na element następny aż do napotkania wartości NULL; • void PokazListe(){ if (begin==NULL) cout << "Lista pusta!\n"; else { Rekord *r=begin; while (r!=NULL) { cout << r->dana<< endl; r=r->next; } }} Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

9. Pusta lista i dodawanie obiektów Dane 1 begin begin Dane 2 Dane 1 begin Dane 2 Dane 1 begin Dane 4 Dane 3 Dane 3 Dane 1 Dane 2 begin Lista pusta: Dodanie elementu do listy: Dodanie drugiego elementu (na koniec listy): Dodanie trzeciego elementu (na początek listy): Dodanie czwartego elementu (w środek listy): Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

10. Dodanie obiektu do listy (C++) • Dodanie nowego obiektu na koniec listy:Rekord *el=new Rekord;// pominiemy tu kontrolę błędów alokacjicin >> el->dana;el->next=NULL; // nowy obiekt będzie ostatni Rekord *wsk=begin;if (wsk==NULL) // lista jest pustabegin=el; else{ while (wsk->next!=NULL) // znalezienie końca wsk=wsk->next; wsk=el; } • Dodanie nowego obiektu na początek listy:Rekord *el=new Rekord;cin >> el->dana;el->next=begin; // dawny pierwszy elementbegin=el; Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

11. Usuwanie obiektu z listy Dane 1 Dane 2 Dane 2 Dane 1 Dane 2 Dane 3 Dane 3 Dane 1 Dane 3 • Usunięcie obiektu w środku listy begin • Usunięcie obiektu na początku listy begin • Usunięcie obiektu na końcu listy begin Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

12. Usuwanie obiektu (C++) • Usunięcie pierwszego obiektu listy:if (wsk!=NULL) // lista nie jest pusta{Rekord *pierwszy=begin;begin=begin->next; delete pierwszy;} • Usunięcie ostatniego obiektu z listy:if (wsk!=NULL) // lista nie jest pusta{Rekord *rek=begin; while ((rek->next)->next!=NULL) // przedost.rek=rek->next; delete rek->next; rek->next=NULL;} Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

13. Przykład listy jednokierunkowej • Program LISTA.CPP Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

14. Wskaźnik na koniec listy Dane 1 Dane n • Często występuje konieczność wykonania operacji na końcu listy (np. dopisanie nowego rekordu) • W takich wypadkach konieczne jest przeglądniecie całej listy po kolei aby dojść do końca • Przydatne może być zapamiętanie wskaźnika na ostatni rekord listy (wskaźnik ten będzie się zmieniał przy dodaniu elementu na koniec lub usunięciu ostatniego elementu) • Model: ... begin end Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

15. Lista cykliczna jednokierunkowa Dane 1 Dane 2 Dane n begin • Model: • Ponieważ nie ma tu elementu ostatniego, podczas przeglądania listy należy pamiętać albo liczbę elementów albo sprawdzać czy adres elementu następnego jest równy begin. • Wskaźnik begin może być przestawiony na dowolny z elementów listy (można przestawić jej początek) • Zastosowanie: zapamiętywanie danych zawierających cykl,np. dane związane z kolejnymi miesiącami roku. • Struktura rekordu identyczna jak dla zwykłej listy jednokierunkowej Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

16. Lista dwukierunkowa Dane 1 Dane 2 Dane n • Model: • Deklaracja w C++: struct Rekord{ float dana; // przykładowe dane właściwe Rekord *prev; // wskaźnik na poprzedni rekord Rekord *next; // wskaźnik na następny rekord};Rekord *begin=NULL;Rekord *end=NULL; // nie zawsze jest tworzony ... begin end Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

17. Lista cykliczna dwukierunkowa Dane 1 Dane 2 Dane n • Model: • Ponieważ nie ma tu w zasadzie elementu pierwszego ani ostatniego, podczas przeglądania listy należy pamiętać albo liczbę elementów albo sprawdzać czy adres elementu następnego jest równy begin. • Wskaźnik begin może być przestawiony na dowolny z elementów listy (można przestawić jej umowny początek) • Zastosowanie: zapamiętywanie danych zawierających cykl,np. dane związane z kolejnymi miesiącami roku. • Struktura rekordu identyczna jak dlazwykłej listy dwukierunkowej ... begin Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

18. Cechy list • Łatwość wstawiania i usuwania elementów • Możliwość całkowitej zmiany kolejności elementów(np. sortowanie) • Dostęp sekwencyjny do poszczególnych elementów(konieczność przeszukiwania listy w celu dostępu do elementu o określonym numerze) • W przypadku listy jednokierunkowej przeszukiwanie odbywa się zawsze od elementu pierwszego w stronę ostatniego • Lista dwukierunkowa umożliwia przeszukiwanie elementów w obu kierunkach, a nawet wielokrotną zmianę kierunku przeglądania. Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

19. Lista z atrapą (1) • W wielu rodzajach list tworzy się zawsze jeden rekord zwany atrapą • Jedynymi danymi, jakie są wypełnione w atrapie są powiązania (brak danych właściwych ) • Celem tworzenia atrapy jest zapewnienie aby lista nigdy nie była pusta, a wskaźniki begin i end nigdy nie miały wartości NULL. • Ułatwia to opracowywanie algorytmów przetwarzających listę • usunięcie warunku czy lista jest pusta • ułatwienie dopisania pierwszego lub ostatniego elementu • W przypadku listy dwukierunkowej, atrapa może występować zarówno na początku, jak i na końcu listy Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

20. Lista z atrapą (2) • Lista jednokierunkowa z atrapą ... Dane n Atrapa ... • Lista dwukierunkowa z atrapą begin end Dane n Atrapa • Lista cykliczna jednokierunkowa z atrapą ... begin Atrapa Dane n begin • Lista cykliczna dwukierunkowa z atrapą ... Atrapa Dane n begin Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

21. Kolejka FIFO (First In First Out) • Dopuszczalne operacje: • dopisanie elementu na początek listy • odczyt elementu z końca listy wraz z jego usunięciem • Realizacja może opierać się o listę jednokierunkową • Przykład realizacji: program FIFO.CPP Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

22. Stos (kolejka LIFO - Last In First Out) • Dopuszczalne operacje: • dopisanie elementu na początek listy • odczyt pierwszego elementu z listy wraz z jego usunięciem • Realizacja może opierać się o listę jednokierunkową • Przykład realizacji: program LIFO.CPP Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

23. Drzewa (1) • Drzewo to struktura dynamiczna o budowie hierarchicznej • Każdy element posiada jednego rodzica i może mieć kilka elementów potomnych • Model korzeń Dane 1 Dane 11 Dane 12 węzły Dane 13 Dane 121 Dane 122 Dane 123 Dane 131 Dane 132 Dane 1321 liście Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

24. Drzewa (2) • Drzewo daje możliwość odzwierciedlenia hierarchii obiektów występującej w rzeczywistości • przykład: zapis drzewa genealogicznego • Inną możliwością zastosowania drzewa jest optymalizacja przeszukiwania dużych zbiorów obiektów. Celem jest umożliwienie dojścia do szukanego obiektu jak najkrótszą drogą • Warunkiem jest odpowiednie uporządkowanie obiektów już na etapie ich dodawania do drzewa • Algorytm przeglądania drzewa nie jest jednoznaczny, np. • przeglądanie poziomami od korzenia do liści • przeglądanie od gałęzi lewej do prawej Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

25. Drzewa binarne • Drzewo binarne to drzewo, w którym każdy węzeł posiada dokładnie dwa powiązania z węzłami potomnymi • Model: Dane 1 Dane 11 Dane 12 Dane 111 Dane 112 Dane 121 Dane 122 Dane 1121 Dane 1122 Dane 1211 Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

26. Drzewa binarne (C++) • Deklaracja: struct Rekord{ float dana; // przykładowe dane właściwe Rekord *child1, *child2; // obiekty potomne};Rekord *root=NULL; // korzeń Podstawy programowania II - Dynamiczne struktury danych

27. NULL