Джулиан Бакнелл - Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

• Название: Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi
• Автор: Джулиан Бакнелл
• Издательство: ДиаСофтЮП
• Жанр: Программирование
• Год: 2003
• ISBN: ISBN 5-93772-087-3

Книга "Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi" представляет собой уникальное учебное и справочное пособие по наиболее распространенным алгоритмам манипулирования данными, которые зарекомендовали себя как надежные и проверенные многими поколениями программистов. По данным журнала "Delphi Informant" за 2002 год, эта книга была признана сообществом разработчиков прикладных приложений на Delphi как «самая лучшая книга по практическому применению всех версий Delphi».

В книге подробно рассматриваются базовые понятия алгоритмов и основополагающие структуры данных, алгоритмы сортировки, поиска, хеширования, синтаксического разбора, сжатия данных, а также многие другие темы, тесно связанные с прикладным программированием. Изобилие тщательно проверенных примеров кода существенно ускоряет не только освоение фундаментальных алгоритмов, но также и способствует более квалифицированному подходу к повседневному программированию.

Несмотря на то что книга рассчитана в первую очередь на профессиональных разработчиков приложений на Delphi, она окажет несомненную пользу и начинающим программистам, демонстрируя им приемы и трюки, которые столь популярны у истинных «профи». Все коды примеров, упомянутые в книге, доступны для выгрузки на Web-сайте издательства.

---

Result := 3;

CurrentCh := FCurrent + 3;

if (CurrentCh <> FLookAheadEnd) then begin

while (Result < tdcLZMaxMatchLength) and (MatchStr^ = CurrentCh^ ) do

begin

inc(Result);

inc(MatchStr);

inc(CurrentCh);

if (CurrentCh = FLookAheadEnd) then

Break;

end;

end;

end;

procedure TtdLZSlidingWindow.GetNextSignature(var aMS : TtdLZSignature;

var aOffset : longint);

var

P : PAnsiChar;

i : integer;

begin

{вычислить длину совпадающей строки; обычно она равна 3, но в конце входного потока она может быть равна 2 или менее.}

if ((FLookAheadEnd - FCurrent) < 3) then

aMS.AsString[0] := AnsiChar (FLookAheadEnd - FCurrent) else

aMS.AsString[0] := #3;

P := FCurrent;

for i := 1 to length (aMS.AsString) do

begin

aMS.AsString[i] := P^;

inc(P);

end;

aOffset := FStartOffset + (FCurrent - FStart);

end;

procedure TtdLZSlidingWindow.swReadFromStream;

var

BytesRead : longint;

BytesToRead : longint;

begin

{выполнить считывание дополнительных данных в зону упреждающего просмотра}

BytesToRead := FBufferEnd - FLookAheadEnd;

BytesRead := FStream.Read(FLookAheadEnd^, BytesToRead);

inc(FLookAheadEnd, BytesRead);

end;

Теперь, когда наш арсенал пополнился этими классами, можно создать подпрограмму сжатия, показанную в листинге 11.27. Она слегка осложняется необходимостью накапливать коды сжатия по восемь. Это делается для того, чтобы можно было вычислить байт флага для всех восьми байтов, а затем записать байт флага, за которым следуют восемь кодов. Именно этой цели служит массив Encodings. Однако, поскольку мы рассмотрели достаточно много вспомогательных подпрограмм, сама эта подпрограмма не слишком сложна для понимания.

Листинг 11.27. Подпрограмма ZL77

type

PEnumExtraData = ^TEnumExtraData; {запись дополнительных данных для }

TEnumExtraData = packed record { метода FindAll хеш-таблицы}

edSW : TtdLZSlidingWindow; {..объект скользящего окна}

edMaxLen : integer;{..максимальная длина совпадающих }

{строк на данный момент}

edDistMaxMatch: integer;

end;

type

TEncoding = packed record

AsDistLen : cardinal;

AsChar : AnsiChar;

IsChar : boolean;

{ $IFNDEF Delphi1}

Filler : word;

{$ENDIF}

end;

TEncodingArray = packed record

eaData : array [0..7] of TEncoding;

eaCount: integer;

end;

procedure MatchLongest(aExtraData : pointer;

const aSignature : TtdLZSignature;

aOffset : longint);

far;

var

Len : integer;

Dist : integer;

begin

with PEnumExtraData(aExtraData)^ do

begin

Len :=edSW.Compare(aOffset, Dist);

if (Len > edMaxLen) then begin

edMaxLen := Len;

edDistMaxMatch := Distend;

end;

end;

procedure WriteEncodings(aStream : TSTream;

var aEncodings : TEncodingArray);

var

i : integer;

FlagByte : byte;

Mask : byte;

begin

{построить байт флага и записать его в поток}

FlagByte := 0;

Mask :=1;

for i := 0 to pred(aEncodings.eaCount) do

begin

if not aEncodings.eaData[i].IsChar then

FlagByte := FlagByte or Mask;

Mask := Mask shl 1;

end;

aStream.WriteBuffer(FlagByte, sizeof(FlagByte));

{записать коды}

for i := 0 to pred(aEncodings.eaCount) do

begin

if aEncodings.eaData[i].IsChar then

aStream.WriteBuffer(aEncodings.eaData[i].AsChar, 1) else

aStream.WriteBuffer(aEncodings.eaData[i].AsDistLen, 2);

end;

aEncodings.eaCount := 0;

end;

procedure AddCharToEncodings(aStream : TStream;

aCh : AnsiChar;

var aEncodings : TEncodingArray);

begin

with aEncodings do

begin

eaData[eaCount].AsChar := aCh;

eaData[eaCount].IsChar := true;

inc(eaCount);

if (eaCount = 8) then

WriteEncodings(aStream, aEncodings);

end;

end;

procedure AddCodeToEncodings(aStream : TStream;

aDistance : integer;

aLength : integer;

var aEncodings : TEncodingArray);

begin

with aEncodings do

begin

eaData[eaCount].AsDistLen :=

(pred(aDistance) shl tdcLZDistanceShift) + (aLength - 3);

eaData[eaCount].IsChar := false;

inc(eaCount);

if (eaCount = 8) then

WriteEncodings(aStream, aEncodings);

end;

end;

procedure TDLZCompress(aInStream, aOutStream : TStream);

var

HashTable : TtdLZHashTable;

SlideWin : TtdLZSlidingWindow;

Signature : TtdLZSignature;

Offset : longint;

Encodings : TEncodingArray;

EnumData : TEnumExtraData;

LongValue : longint;

i : integer;

begin

HashTable :=nil;

SlideWin := nil;

try

HashTable := TtdLZHashTable.Create;

HashTable.Name := 'LZ77 Compression hash table';

SlideWin := TtdLZSlidingWindow.Create(aInStream, true);

SlideWin.Name := 'LZ77 Compression sliding window';

{записать заголовок в поток: 'TDLZ', за который следует размер несжатого исходного потока}

LongValue := TDLZHeader;

aOutStream.WrijteBuffer(LongValue, sizeof(LongValue));

LongValue aInStream.Size;

aOutStream.WriteBuffer(LongValue, sizeof(LongValue));

{подготовка к сжатию}

Encodings.eaCount := 0;

EnumData.edSW := SlideWin;

{получить первую сигнатуру}

SlideWin.GetNextSignature(Signature, Offset);

{до тех пор, пока длина сигнатуры равна трем символам...}

while ( length ( Signature.AsString) = 3 ) do

begin

{выполнить поиск в скользящем окне самой длинной совпадающей строки с использованием хеш-таблицы для идентификации соответствий}

EnumData.edMaxLen := 0;

if HashTable.EnumMatches(Signature,

Offset - tdcLZSlidingWindowSize, MatchLongest, @EnumData) then begin

{имеется по меньшей мере одно соответствие : необходимо сохранить пару расстояние/длина самой длинной совпадающей строки и сдвинуть скользящее окно на расстояние, равное этой длине}

AddCodeToEncodings(aOutStream,

EnumData.edDistMaxMatch, EnumData.edMaxLen, Encodings);

SlideWin.Advance(EnumData.edMaxLen);

end

else begin

{соответствие отсутствует: необходимо сохранить текущий символ и сдвинуть скользящее окно на один символ}

AddCharToEncodings(aOutStream,

Signature.AsString[1], Encodings);

SlideWin.Advance(1);

end;

{добавить эту сигнатуру в хеш-таблицу}

HashTable.Insert(Signature, Offset);

{извлечь следующую сигнатуру}

SlideWin.GetNextSignature(Signature, Offset);

end;

{если последняя сигнатура содержала не более двух символов, их нужно сохранить как коды литеральных символов}

if (length(Signature.AsString) > 0) then begin

for i := 1 to length (Signature.AsString) do AddCharToEncodings(aOutStream,

Signature.AsString[i], Encodings);

end;

{обеспечить запись заключительных кодов}

if (Encodings.eaCount > 0) then

WriteEncodings(aOutStream, Encodings);

finally SlideWin.Free;

HashTable.Free;

end; {try.. finally}

end;

Подпрограмма сжатия работает следующим образом. Мы создаем хеш-таблицу и скользящее окно. После этого мы записываем в выходной поток сигнатуру, за которой следует значение длины несжатых данных. Затем осуществляется вход в цикл. После каждого выполнения цикла мы получаем текущую сигнатуру и пытаемся сопоставить ее с чем-либо уже встречавшимся ранее (для этого используется метод EnumMatches хеш-таблицы). Если какие-либо соответствия отсутствуют, литеральный символ добавляется в массив кодов и скользящее окно сдвигается на один символ. В противном случае в скользящее окно добавляется пара расстояние/длина, соответствующая наиболее длинной совпадающей строке, и скользящее окно сдвигается на расстояние, равное количеству совпадающих символов.

Код программы сжатия LZ77 разбит на несколько файлов: TDLZBase.pas содержит несколько общих констант, TDLZHash.pas создает специализированную хеш-таблицу, TDLZSWin - класс скользящего окна, а TDLZCmpr.pas - код выполнения сжатия и восстановления. Все перечисленные файлы можно найти на web-сайте издательства, в разделе материалов.

После того, как мы ознакомились с алгоритмом и кодом реализации сжатия и восстановления LZ77, можно теоретически оценить возможные значения коэффициентов сжатия. Если бы можно было сжать все 10 байтовые строки в файле до 2 байт - иначе говоря, каждый раз получать максимальное соответствие - для каждых 80 байтов файла можно было бы записывать по 17 байт (один байт флага и восемь 2-байтовых кодов). В этом случае коэффициент сжатия равнялся бы 79 процентам. С другой стороны, если бы соответствия в файле вообще не удалось бы найти, для каждых восьми байтов исходного файла в действительности пришлось бы записывать по девять байтов. В этом случае коэффициент сжатия составил бы -13 процентов. В общем случае, как правило, сжатие файлов с применением этого метода позволяет получать коэффициенты сжатия, лежащие между упомянутыми крайними значениями.

Резюме

В этой главе мы провели исследования методов сжатия данных. Мы начали рассмотрение с двух статических алгоритмов кодирования с минимальной избыточностью: кодирования Шеннона-Фано и кодирования Хаффмана. Мы рассмотрели недостатки этих методов - необходимость двукратного считывания входных данных и какого-либо кодирования дерева, чтобы его можно было поставлять со сжатыми данными. Затем мы ознакомились с адаптивным алгоритмом - сжатия с использованием скошенного дерева - позволяющим устранить обе упомянутых проблемы. И в заключение мы рассмотрели сжатие с применением алгоритма \JL11, в котором используется словарь, позволяющий сжимать строки символов, а не отдельные символы. Хотя все четыре рассмотренных алгоритма представляют интерес и сами по себе, для их реализации мы воспользовались рядом более простых алгоритмов и структур данных, которые были описаны в предшествующих главах.

Глава 12. Дополнительные темы.

В этой главе мы отойдем от некоторых стандартных классических алгоритмов и рассмотрим ряд более сложных вопросов. Иногда в этой главе будут использоваться некоторые более простые алгоритмы и структуры данных, но во всех таких случаях они будут служить ступенями к реализации усложненных алгоритмов. Именно так и следует использовать классические алгоритмы и структуры данных - в качестве строительных блоков новых алгоритмов, обеспечивающих реализацию конкретных проектов (в конце концов, проект - это всего лишь эскиз специализированного алгоритма).

Алгоритм считывания-записи

В многопоточных приложениях 32-разрядной операционной системы Windows приходится решать целый ряд проблем, которые в однопоточных программах просто не возникают. Действительно, первая проблема, с которой приходится сталкиваться - определение способа запуска и останова потоков. Но в основном она решается на уровне операционной системы: достаточно внимательно прочесть программную документацию операционной системы и правильно применить почерпнутые сведения.