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.

---

Вторую проблему (восстановление свойства пирамидальности) проще решить, чем первую (отыскание элемента, который нужно удалить или изменить его приоритет). Поэтому вначале рассмотрим именно ее.

Чтобы удалить произвольный элемент из сортирующего дерева, его нужно было бы поменять местами с последним элементом и уменьшить размер сортирующего дерева. На этом этапе появляется элемент, который может нарушить свойство пирамидальности.

Для изменения приоритета произвольного элемента следует просто внести изменение, в результате чего элемент может также нарушить свойство пирамидальности.

В обоих случаях мы получаем элемент, который может находиться в сортирующем дереве в неподходящей позиции. Т.е. для этого конкретного элемента нарушается свойство пирамидальности. Но мы знаем, как следует поступить в ситуации подобного рода: ранее мы уже сталкивались с ней при работе со стандартной очередью по приоритету. Если приоритет данного элемента выше приоритета его родительского элемента, мы перемещаем элемент в верхнюю часть сортирующего дерева за счет применения алгоритма пузырькового подъема. В противном случае мы сравниваем его с дочерними элементами. Если он меньше одного или обоих дочерних элементов, то при помощи алгоритма просачивания мы опускаем его в нижнюю часть сортирующего дерева..Со временем элемент окажется в позиции, где он будет меньше своего родительского и больше обоих дочерних элементов.

Отыскание произвольного элемента в сортирующем дереве

Теперь осталось решить первоначальную проблему: эффективно найти элемент в сортирующем дереве. Эта проблема кажется неразрешимой - сортирующее дерево не содержит никакой вспомогательной информации, поскольку оно было разработано лишь для обеспечения эффективного поиска наибольшего элемента. Возврат к сбалансированному дереву двоичного поиска (при использовании которого для поиска элемента за время, пропорциональное O(log(n)), можно применить стандартный алгоритм поиска) кажется почти неизбежным.

Однако вместо этого мы создадим так называемое косвенное сортирующее дерево (indirect heap). При добавлении элемента в очередь по приоритету, управление этим элементом передается очереди. Взамен мы получаем дескриптор (handle). Дескриптор - это значение, по которому очередь "узнает" о добавлении элемента. Если хотите, дескриптор является косвенной ссылкой на реальный элемент в сортирующем дереве.

Итак, чтобы удалить элемент из очереди по приоритету, мы передаем очереди дескриптор этого элемента. Очередь использует этот дескриптор для выяснения позиции элемента в сортирующем дереве, а затем удаляет его, как было описано ранее.

Для изменения приоритета элемента мы просто изменяем значение приоритета элемента и сообщаем очереди о том, что произошло, передавая ей дескриптор элемента. Затем очередь может восстановить свойство пирамидальное™. Операция исключения из очереди работает так же, как и ранее (дескриптор элемента не нужно передавать, поскольку очередь сама определит наибольший элемент). Однако очередь уничтожит дескриптор возвращенного элемента, поскольку он больше не присутствует в очереди. Если элементы являются записями или объектами, дескриптор данного элемента можно хранить внутри самого элемента наряду с приоритетом и другими полями.

В рамках операционной системы дескриптор, который, как правило, представляет собой своего рода замаскированный указатель, обычно имеет тип длинного целого. В рассматриваемой реализации мы используем всего лишь нетипизированный указатель.

Реализация расширенной очереди по приоритету

С точки зрения пользователя очереди по приоритету новый интерфейс лишь немногим сложнее рассмотренного ранее. Код интерфейса класса расширенной очереди по приоритету TtdPriorityQueueEx приведен в листинге 9.9.

Листинг 9.9. Интерфейс класса TtdPriorityQueueEx

type

TtdPQHandle = pointer;

TtdPriorityQueueEx = class private

FCompare : TtdCompareFunc;

FHandles : pointer;

FList : TList;

FName : TtdNameString;

protected

function pqGetCount : integer;

procedure pqError(aErrorCode : integer;

const aMethodName : TtdNameString);

procedure pqBubbleUp(aHandle : TtdPQHandle);

procedure pqTrickleDown(aHandle : TtdPQHandle);

public

constructor Create(aCompare : TtdCompareFunc);

destructor Destroy; override;

procedure ChangePriority(aHandle : TtdPQHandle);

procedure Clear;

function Dequeue : pointer;

function Enqueue(alt em : pointer): TtdPQHandle;

function Examine : pointer;

function IsEmpty : boolean;

function Remove(aHandle : TtdPQHandle): pointer;

property Count : integer read pqGetCount;

property Name : TtdNameString read FName write FName;

end;

Как видите, единственное реальное различие между этим классом и классом TtdPriorityQueue состоит в наличии методов Remove и ChangePriority и в том, что метод Enqueue возвращает дескриптор.

Так как же реализован этот интерфейс? Внутренне очередь, как обычно, содержит сортирующее дерево, но на этот раз она должна поддерживать определенную дополнительную информацию, чтобы иметь возможность отслеживать позицию каждого элемента в сортирующем дереве. Кроме того, очередь должна идентифицировать каждый элемент дескриптором, чтобы поиск элемента по заданному дескриптору выполнялся быстро и эффективно - теоретически быстрее, чем в дереве двоичного поиска, где время поиска определяется соотношением O(log(n)).

Поэтому мы сделаем следующее: когда пользователь будет ставить элемент в очередь, мы будем добавлять элемент в связный список. Это будет сопряжено с определением и использованием узла и, по меньшей мере, двух указателей: указателя самого этого элемента и указателя следующего элемента, хотя по причинам, которые станут понятны несколько позже, мы будем использовать двухсвязный список и поэтому нам потребуется также и предыдущий указатель. Передаваемый нами обратно дескриптор элемента будет адресом узла. Теперь наступает важный момент. Узел хранит также целочисленное значение - позицию элемента в массиве, посредством которого реализовано сортирующее дерево. Сортирующее дерево не хранит сами элементы, а только их дескрипторы (т.е. узлы связного списка). Каждый раз, когда для выполнения сравнения ему нужно будет обратиться к самому элементу, оно будет разыменовывать дескриптор.

К сожалению, мы не можем использовать описанный в главе 3 класс связного списка, поскольку нам требуется доступ к узлам, а этот класс был разработан с целью сокрытия структуры узлов. Это один из случаев, когда нельзя использовать заранее стандартные классы и требуется выполнить кодирование от начала до конца. В случае применения двухсвязного списка это не так страшно, поскольку эта структура достаточно проста. Мы создадим связный список с явными начальным и конечным узлами. В результате удаление обычного узла превращается в исключительно простую задачу. Удаление узлов будет выполняться с применением обоих методов Dequeue и Remove класса расширенной очереди по приоритету.

Операции постановки в очередь и пузырькового подъема лишь немногим более сложны. Вначале мы создаем дескриптор, выделяя узел для элемента, и добавляем его в связный список узлов. Поскольку мы добавляем дескрипторы к сортирующему дереву, для доступа к элементам потребуется выполнять разыменование дескрипторов, а при перемещении элемента по сортирующему дереву индекс его новой позиции необходимо сохранять внутри узла. Код реализации методов постановки в очередь и пузырькового подъема приведен в листинге 9.10.

Листинг 9.10. Постановка в очередь и пузырьковый подъем в расширенной очереди по приоритету

procedure TtdPriorityQueueEx.pqBubbleUp(aHandle : pointer);

var

FromInx : integer;

ParentInx : integer;

ParentHandle : PpqexNode;

Handle : PpqexNode absolute aHandle;

begin

{если анализируемый дескриптор больше дескриптора родительского элемента, нужно их нужно поменять местами и продолжить процесс с новой позиции}

{Примечание: родительский узел дочернего узла, имеющего индекс n, имеет индекс (n-1)/2}

FromInx := Handle^.peInx;

if (FromInx > 0) then begin

ParentInx := (FromInx - 1) div 2;

ParentHandle := PpqexNode(FList.List^[ParentInx]);

{если элемент имеет родительский элемент и больше нее о...}

while (FromInx > 0) and

(FCompare (Handle^.peItem, ParentHandle^.peItem) > 0) do

begin

{нужно переместить родительский элемент вниз по дереву}

FList.List^[FromInx] := ParentHandle;

ParentHandle^.peInx := FromInx;

FromInx := ParentInx;

ParentInx := (FromInx - 1) div 2;

ParentHandle := PpqexNode(FList.List^[ParentInx]);

end;

end;

{сохранить элемент в правильной позиции}

FList.List^[FromInx] := Handle;

Handle^.peInx := FromInx;

end;

function TtdPriorityQueueEx.Enqueue(aItem : pointer): TtdPQHandle;

var

Handle : PpqexNode;

begin

{создать новый узел для связного списка}

Handle := AddLinkedListNode(FHandles, aItem);

{добавить дескриптор в конец очереди}

FList.Add(Handle);

Handle^.peInx := pred(FList.Count);

{теперь нужно выполнить его пузырьковый подъемна максимально возможный уровень}

if (FList.Count > 1) then

pqBubbleUp(Handle);

{вернуть дескриптор}

Result := Handle;

end;

Подобно методу Enqueue, все эти косвенные ссылки несколько усложняют метод Dequeue, но в коде все же можно распознать стандартные операции исключения из очереди и просачивания.