Прикладное программирование Составные типы данных кафедра прикладной и компьютерной оптики

Составные типы данных
Прикладное программирование
кафедра
прикладной и компьютерной оптики
2
Составные типы данных
Гомогенные
Назначение
для хранения однотипных
переменных
Пример
массив, строка,
список, стек, очередь,
набор, карта, дерево
Гетерогенные
для хранения неоднородных
разнотипных переменных
структура, класс
3
Массивы
Массив - это группа последовательных ячеек памяти,
имеющих один и тот же тип
int data[4];
Нумерация элементов – от 0 до <размер-1>
data[0]=1;
data[1]=2;
data[2]=3;
data[3]=4;
Объявление и инициализация
double v[3]={0.3, 2.2, 2.};
char symbols[]={'a', 'b', 'c', 'd', 'e'};
4
Динамическое размещение
массива
double *data; // указатель на массив
data=new double[1000]; // указатель на 0-й элемент массива
// инициализация
for(int i=0; i<1000; i++)
{
data[i]=0.;
}
delete [] data; // обязательно освободить память
data+1; // указатель на 1-й элемент
data+100; // указатель на 100-й элемент,
*(data+4); // эквивалентно data[4]
См. пример программы
5
Передача массива в функцию
Передача массива в функцию может осуществляться только
по указателю на нулевой элемент, с дополнительной
информацией о количестве элементов в массиве
// указатель на массив + количество элементов в массиве
double sum(double* m, int n) // или double m[]
{
double s=0.;
for(int i=0; i<n; ++i)
{
s+=m[i];
}
return s;
}
См. пример программы
6
Двумерный массив
Для создания двумерного массива необходимо указать в квадратных
скобках два значения – количество строк и столбцов в массиве
double matrix[3][2]; // двумерный массив 2х3
double sum=0.;
for(int i=0; i<3; i++) // номер строки
{
for(int j=0; j<2; j++) // номер столбца
{
sum+=matrix[i][j];
}
}
[0][0] [0][1]
[1][0] [1][1]
[2][0] [2][1]
matrix[0][0];
matrix[2][1];
[0][0] [0][1] [1][0] [1][1] [2][0] [2][1]
7
Динамическое размещение
двумерного массива
Двумерный массив можно разместить динамически, только если
представить его как одномерный

вместо доступа по индексам [i][j], придется вычислять индекс одномерного
массива, которому будет соответствовать необходимый элемент двумерного
массива
• Например, элементу [1][0] двумерного массива будет соответствовать индекс [2] одномерного
массива
// указатель на двумерный массив matrix[3][2]
double *matrix=new double[3*2];
// matrix[i][j]
matrix[i*2+j]=0.;
// например matrix[1][0]
matrix[1*2+0]=0.;
0
1
2
3
4
5
[0][0] [0][1] [1][0] [1][1] [2][0] [2][1]
delete [] matrix; //освободить память
См. пример программы
8
Контейнеры
Контейнер – тип данных, предназначенный для хранения
однотипных данных

вектор, стек, очередь, список, ассоциативный массив, дерево
Хранение элементов контейнера


последовательно (непрерывным блоком)
разбросаны по всей памяти
Доступ к элементам контейнера


по индексу
только последовательным перебором
9
STL (Standard Template Library) –
стандартная библиотека шаблонов
Контейнеры

объекты для хранения однотипных данных:
• последовательные (vector, deque, list);
• ассоциативные (set, multiset, map, multimap);
Адапторы

объекты, созданные на основе базовых контейнеров, с измененным
интерфейсом (например, queue, stack)
Итераторы

объекты, которые используются для универсального доступа к элементам
хранящимся в контейнере любого типа
Алгоритмы

обобщенные процедуры для обработки элементов любых контейнеров
Функции-объекты

объекты, у которых перегружен оператор вызова функций
10
Контейнеры:
вектор, стек, очередь
Вектор


хранение элементов единым блоком
доступ к любому элементу по индексу
Стек


хранение элементов единым блоком
доступ только к последнему элементу,
внесенному в стек
Очередь


хранение элементов единым блоком
доступ только к первому элементу,
внесенному в очередь
11
Контейнеры: список, дерево,
ассоциативный массив
Список

элементы разбросаны по памяти
• каждый элемент содержит указатель на
последующий и предыдущий

только перебор
Дерево


элементы разбросаны по памяти
обхода дерева от корня
• родитель содержит ссылки на дочерние
элементы
Ассоциативный массив


элементы разбросаны по памяти
обход дерева по ключу
12
Вектор
Вектор - одномерный массив проиндексированных элементов
• Доступ к функциям вектора производится через оператор "."
• Подробнее о классах и шаблонах см. главу 4 и раздел 5.4.
#include <vector>
using namespace std;
vector<double> x; // создание вектора
x.resize(10); // изменение размера вектора
x.resize(x.size()+100); // изменение размера вектора
double sum=0.0;
for(int i=0; i<x.size(); i++)
{
sum+=x[i]; //доступ по индексу
}
13
Функции работы с вектором
Размер (количество элементов) контейнера
int n=x.size();
Изменение размера контейнера
x.resize(100);
Доступ к элементам контейнера
x[i]=5;
Добавить элемент в конец контейнера
•
Добавляет копию элемента
x.push_back(7);
Определяет пустой ли контейнер
bool res=x.empty(); // эквивалентно x.size() == 0
Очистить контейнер
•
разрушает все элементы и освобождает контейнер
x.clear();
Выделение дополнительной памяти для размещения новых эл-в
x.reserve(200);
Определяет кол-во элементов, для которых зарезервирована.память
int n=x.capacity();
Остальные функции – см.Приложение 5
См. пример программы
14
Список
Список – структура данных для организации хранения
элементов с эффективной вставкой и удаления в любом
месте этой структуры, не требует доступа по индексу

УЗЕЛ (Node) – объект, который содержит ссылки на последующий и
предыдущий элементы, а также значение данного элемента списка
Простой односвязный список
Простой двухсвязный список
Кольцевой двухсвязный список
15
Функции списка
STL – простой двухсвязный список
list<int> example;
example.push_back(0); // вставка в конец
example.push_front(1); // вставка в начало
x.insert(x.begin(), 3); // вставка в любое место списка

(переразмещения данных в памяти не происходит)
16
Итераторы
Итератор – это обобщённый "указатель" на элемент,
хранящийся в контейнере
list<double> ls;
list<double>::iterator it;




оператор * – разыменование и получение доступа к значению элемента
(*it)=5;
операторы «++» и «– –» получение указателя на следующий и
предыдущий элемент
it++, it--
итератор на первый элемент контейнера
it=ls.begin()
итератор на следующий после последнего элемент контейнера
it=ls.end()
17
Использование итераторов
list<double> x;
list<double>::iterator it;
for(it=x.begin(); it!=x.end(); it++)
{
sum+=(*it); //доступ к элементам по итератору
}
it=x.begin();
while(it!=x.end())
{
sum+=*it;
it++;
}
См. пример программы
18
Двусторонняя очередь (deque)
Двусторонняя очередь – последовательность, которая:



поддерживает произвольный доступ к элементам (аналогично vector)
поддерживает вставку и удаление в начало последовательности
Кроме того:
• не имеет функций-членов capacity() и reserve()
• не предоставляет никаких гарантий на допустимость итератора
См. пример программы
19
Стек (stack)
Стек – адаптер очереди, который организует ее работу по
правилу "last in, first out" (LIFO)


не предоставляет функций для получения итераторов и их перебора
позволяет проверить, какой элемент находится на вершине стека (top)
stack<int> s;
s.push(8); // s = 8
s.push(7); // s = 7 8
s.push(4); // s = 4 7 8
cout<<s.top()<<endl; // 4
s.pop();
cout<<s.top()<<endl; // 7
s.pop();
cout<<s.top()<<endl; // 8
См. пример программы
20
Очередь (queue)
Очередь – это адаптер очереди, который организует ее
работу по правилу "first in, first out" (FIFO)


не предоставляет функций для получения итераторов и их перебора
позволяет проверить, какой элемент находится на вершине стека (front)
queue<int> q;
q.push(8); // q = 8
q.push(7); // q = 7 8
q.push(4); // q = 4 7 8
cout<<q.front()<<endl; // 8
q.pop();
cout<<q.front()<<endl; // 7
q.pop();
cout<<q.front()<<endl; // 4
21
Ассоциативный массив
Ассоциативный массив - используется для хранения
связанных пар "ключ-значение" ("key-value")


массив, в котором индекс может быть не целочисленного типа
организуются как сбалансированное дерево узлов
pair<const key, mapped_type>
Ассоциативные контейнеры STL




map – ассоциативный массив, по ключу в контейнере хранится одно
значение
multimap – ассоциативный массив с повторяющимися ключами
set – массив уникальных ключей без значений
multiset – массив с повторяющимися ключами без значений
22
Ассоциативный массив map
Доступ к элементам по ключу
map<string, double> glass;
double n=glass["K8"];
• поиск по ключу
• если ключ не найден, то вставляется элемент со значением по умолчанию (0)
glass["K8"]=1.5;
• поиск по ключу
• если ключ не найден, то вставляется элемент с заданным значением
Доступ к элементам по итератору (объект pair)
• первый элемент (pair::first) – ключ
• второй элемент (pair::second) – значение
• элементы хранятся в отсортированном виде: от меньшего ключа к большему ключу
map<string, double>::iterator it;
for(it=glass.begin(); it!=glass.end(); it++)
{
cout<<it->first<<" "<<it->second<<endl;
}
См. пример программы
23
Ассоциативный массив set
Доступ к элементам по итератору

все значения уникальны и отсортированы
• от меньшего ключа к большему ключу
set<string> glass;
map<string>::iterator it;
glass.insert("K8");
glass.insert("ТK14");
glass.insert("K8");
for(it=glass.begin(); it!=glass.end(); it++)
{
cout<<*it<<" "<<endl;
}
См. пример программы
24
Алгоритмы
Алгоритмы – обобщенные процедуры для обработки
элементов любых контейнеров
#include <algorithm>
using namespace std;
list<double> x;
// вычисление суммы через итераторы
list<double>::iterator it;
for(it=x.begin(); it!=x.end(); it++)
{
sum+=(*it);
}
// вычисление суммы через алгоритмы
sum=accumulate(x.begin(), x.end(), 0.0);
25
Алгоритмы не модифицирующие
контейнер
Алгоритмы не модифицирующие контейнер – процедуры
поиска и сравнения
list<string> ls;
list<string>::const_iterator it;
// поиск значения "К8" в диапазоне от ls.begin() до ls.end()
it=find(ls.begin(), ls.end(), "К8");
26
Алгоритмы модифицирующие
значение элементов контейнера
Алгоритмы модифицирующие значение элементов
контейнера, но не изменяющие порядок их следования –
выполнение действий над каждым элементом контейнера,
поиск и замена
vector<int> v(100);
// заполнение всех элементов от ls.begin() до ls.end()
//
значением 0
fill(v.begin(), v.end(), 0);
// замена всех элементов от ls.begin() до ls.end(),
//
равных -1 на 1
replace(v.begin(), v.end(), -1, 1);
27
Алгоритмы модифицирующие
контейнер
Алгоритмы модифицирующие контейнер –
функции копирования, перестановок, удаления, тасования
и сортировки, разбиения и слияния последовательностей
vector<int> v(100);
// сортировка массива
sort(v.begin(), v.end());
// перестановка элементов массива в обратном порядке
reverse(v.begin(), v.end());
28
Функции-помощники
Функции-помощники (перестановки и сравнения)
vector<int> v(100);
vector<int>::iterator it=v.begin();
it++;
swap(*v.begin(), *it);
29
Численные алгоритмы
#include <numeric>
accumulate - накапливает результаты выполнения
операций над последовательностью
• (сложение элементов)
inner_product - накапливает результаты выполнения
операций над двумя последовательностями
• (перемножение элементов)
partial_sum - позволяет получить последовательность
инкрементных изменений
• (a, a+b, a+b+c, a+b+c+d, ...)
adjacent_difference - позволяет получить
последовательность декрементных изменений
• (a, b-a, c-b-a, d-c-b-a, ...)
См. пример программы