Fortgeschrittene Programmiertechniken - oth

10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Fortgeschrittene
Programmiertechniken
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10-1
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Zu den fortgeschrittenen Techniken gehören:
► Verwendung von komplexeren Datenstrukturen, z. B. von
geschachtelten Strukturen, Baumstrukturen usw.
► Verwendung von vordefinierten und/oder standardisierten
Algorithmen, z. B. Such- und Sortieralgorithmen
► Verwendung der Rekursion in Daten und Kontrollstrukturen
► Verwendung von speziellen Datenorganisationen, z. B.
Hash-Tabellen und hash-Verfahren
► Verwendung von objektorientierten Programmiertechniken
► Softwareagenten-Technologien
► u. v. a.
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Geschachtelte Strukturen
a) stufenweise Definition:
#define STUD_ANZAHL 550
struct gruppe
int
int
int
} ;
struct name {
char
char
} ;
{
fachrichtung;
semester;
matrikelnummer;
/*
Komponenten
*/
nachname [20];
vorname [16];
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10-3
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
struct geburtsdatum {
int jahr;
int monat;
int tag;
} ;
struct student {
/* Deklaration der Schablone "Student"
struct gruppe bezeichnung;
struct name familienname;
struct geburtsdatum g_datum;
} ;
struct student tab_stud [STUD_ANZAHL];
/* Definition der Tabelle für Daten von Studenten
*/
*/
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10-4
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
b) „inline“ Definition:
#define STUD_ANZAHL 550
struct student {
struct gruppe {
int fachrichtung;
int semester;
int matrikelnummer;
} ;
struct name {
char nachname [20];
char vorname [16];
} ;
struct geburtsdatum {
int
jahr;
int
monat;
int
tag;
}
}
tab_stud [STUD_ANZAHL];
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Zugriff zu den Komponenten (Beispiele):
struct student *rn, *rq;
struct name person_name;
struct geburtsdatum dat;
int geburtsjahr, geb_j2;
char *surname;
. . .
/* Variablen für Demo */
rn = tab_stud;
/* Adressenzuweisungen */
rq = &tab_stud[i];
person_name = (rn+i)->familienname; /* Wertzuweisungen */
dat = (rn+i)->g_datum;
geburtsjahr = (rn+i)->g_datum.jahr;
strcpy (surname, (rn+i)->familienname.nachname);
geb_j2 = rq->g_datum.jahr /* oder rq = (*rq).datum.jahr */
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Suchverfahren
• direkte Suche
• binäre Suche
• Fibonacci Suche
Merkmale „elementarer“ Suchverfahren
•
•
•
•
Schlüssel sind eindeutig, d.h. es gibt keine Mehrfachtreffer
Die Schlüsselmenge besitzt eine lineare Ordnung
Es sind nur Schlüsselvergleiche erlaubt
Ergebnis einer Suche ist das gefundene Item oder eine
Fehlanzeige
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Direkte Suche
• im Text
int
SearchTxt
(char *s, char *p)
{
int n, m;
// String - Musterlänge
int i, j;
// Suchzeiger
unsigned
int found;
// Flag:
1 == gefunden, 0 == nicht gefunden
n = strlen(s);
m = strlen(p);
for (i=0; i<n-m+1; i++)
{
found = 1;
for (j=0; j<m; j++)
if (s[i+j] != p[j]) found = 0;
if (found == 1) return (i);
}
return(-1);
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
• in Feldern
// SearchSeq:
Sequentielles Suchen in einem Array
// Parameter:
A
Zahlenfeld, in dem gesucht wird
//
n
Anzahl der gültigen Feldelemente
//
item gesuchtes Element
//-------------------------------------------------------int SearchSeq (int *A, int n, int item)
{
int i;
// Laufvariable
A[0] = item;
// Stopper-Element besetzen
i
= n + 1;
// An das rechte Ende zeigen
while (item != A[--i]);
// Von rechts suchen
return (i);
// Index des Item oder 0 zurückliefern
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
• in Tabellen
int seq_search (int key, item *t, item *result, int p)
/* Funktion seq_search für seq. Suche in der Tabelle t */
/*
Parameter: key - Schlüssel der gesuchten Ware, t - Name der durchgesuchten
Tabelle, result - Zeiger auf die Speicherzone, auf die das gesuchte Item
/*
abgespeichert werden soll, p - Länge der Tabelle
*/
Funktionswert:
*/
0, wenn das Item gefunden war, -1, wenn nicht
{
int i;
for (i=0; i<p; i++)
if (t[i].num == key) {
*result = t[i];
return (0);
}
return (-1);
/*
Variable für Indizes
/*
/*
*/
Item gefunden
*/
Item nicht gefunden
*/
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Binäre Suche
– Prinzip: Halbierung des Feldes
Bedingung: Das durchgesuchte Feld muss geordnet werden!
int bin_search (int key, item *t, item *result)
/* Funktion bin_search für binäre Suche in der Tabelle t */
/* Parameter: key
- Schlüssel der gesuchten Ware,
t
- Name der durchgesuchten Tabelle,
result - Zeiger auf die Speicherzone
*/
/* Funktionswert: 0, wenn das Item erfolgreich gefunden,
-1, wenn das Item nicht gefunden war
*/
{
int m, left, right;
/* Variablen für Indizes */
left = 0;
/* Initialisierung von Suchgrenzen */
right = N-1;
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
while (left<=right) {
/* Ende - Bedingung
m = (left+right) / 2;
/* Mitte des Intervals
if (t[m].num < key) left = m+1;
/* Suche in der höheren Hälfte
else if (t[m].num > key) right = m-1;
/* in der unteren Hälfte
else if (t[m].num == key) {
*result = t[m];
/* Item gefunden
return (0);
}
else return (-1); /* Item nicht gefunden
}
*/
*/
*/
*/
*/
*/
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Fibonacci Suche
– Prinzip: Aufteilung des Feldes nach
Fibonacci Zahlen
Bedingung: Das durchgesuchte Feld muss geordnet werden!
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Beispiel:
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Sortierverfahren
•
•
•
•
direkte versus indirekte Verfahren
interne versus externe Verfahren
sequentielle versus parallele Verfahren
fortgeschrittene und kombinierte Verfahren
Merkmale „elementarer“ Sortierverfahren
• Sie nutzen keine Eigenschaften der Datenstruktur aus
• Sie verwenden als Operationen nur Schlüsselvergleiche und
Transporte
• Sie besitzen eine relativ hohe Komplexität – O(N2)
• Komplexitätrelevante Operationen
Vergleiche (Comparisons)
Transport-Operationen (Movements)
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10-15
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Beispiele elementarer Sortierverfahren:
•
•
•
•
das Selection-Sort Verfahren
das Insertion-Sort Verfahren
das Shell-Sort Verfahren
Das Bubble-Sort Verfahren
Beispiele spezieller Sortierverfahren:
•
•
•
•
das Quick-Sort Verfahren
das Heap-Sort Verfahren
das Merge-Sort Verfahren
Das Radix-Sort Verfahren
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Beispiel – das Bubble-Sort Verfahren:
/* ----------------------------------------------------/*
Bubble Sort - Sortieren durch lokales Vertauschen
/* ----------------------------------------------------void BubbleSort (elem F[], int L) {
/*
F ... das zu sortierende Feld von Items
/*
L ... Zahl von sortierten Feldelementen
int j;
elem Item;
int XCHG;
/* L ...
/* "Zeiger" in die zu sortierende Liste
/* Zwischenspeicher zum Vertauschen
/* TRUE, wenn eine Vertauschung vorkam
letzte Position der aktuellen Teilliste
*/
*/
*/
*/
*/
*/
*/
*/
*/
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
do {
/* XCHG zeigt an, ob bei dieser Teilliste eine */
XCHG = 0; /* Vertauschung vorgenommen werden musste */
for (j=0; j<L; j++)
/* aktuelle Teilliste durchlaufen,dabei vertauschen */
if (F[j].key > F[j+1].key) {
Item
= F[j];
/*
Vertausch
*/
F[j]
= F[j+1];
F[j+1] = Item;
XCHG
= 1;
}
L--;
} while (XCHG);
/* läuft solange zwei Elemente vertauscht wurden */
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
2. Variante – mit Zeigern:
void BubbleSort (elem *F, int L)
/* F ... Zeiger auf das zu sortierende Feld von Items
/* L ... Zahl von sortierten Feldelementen
{
elem *H;
/* Zeiger auf das zu sortierende Feld
elem Item;
/* Zwischenspeicher zum Vertauschen
int XCHG;
/* TRUE, wenn eine Vertauschung vorkam
/* L ... letzte Position der aktuellen Teilliste
*/
*/
*/
*/
*/
*/
do {
XCHG = 0; /* XCHG zeigt an, ob bei dieser Teilliste */
/* eine Vertauschung vorgenommen werden musste */
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10-19
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
for (H=F; H<F+L; H++)
/* aktuelle Teilliste
/* durchlaufen und vertauschen
if (H->key > (H+1)->key) {
Item
= *H;
/*
Vertausch
*H
= *(H+1);
*(H+1) = Item;
XCHG
= 1;
}
L--;
} while (XCHG);
/* läuft solange zwei Elemente vertauscht wurden
*/
*/
*/
*/
}
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10-20
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Beispiel – das Shell-Sort Verfahren:
int shellsort (int v[], int n)
/* v[0] .. v[n-1] aufsteigend sortieren
{
int gap, i, j, temp;
for (gap = n/2; gap > 0; gap /= 2)
for (i = gap; i < n; i++)
for (j =i-gap; j>=0 && v[j]>v[j+gap]; j-=gap)
{
temp = v[j];
v[j] = v[j+gap];
/* Items wechseln
v[j+gap] = temp;
}
*/
*/
}
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10-21
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Rekursion
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10-22
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Rekursion
• in Datenstrukturen (rekursiv definierte Strukturen)
Listen
L
w1
w2
w3
w4
w5
Deklaration (Schablone):
struct list_el {
/* Struktur Listenelement
int wert;
struct list_el *next;
} ;
*/
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Bäume
Kurt
Franz
Rolf
Dieter
Erich
Hans
Leo
W Werner
Karl
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10-24
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Definition des Knotens:
Kurt
linker Sohn
rechter Sohn
Deklaration (Schablone):
struct knoten
{
char *inhalt;
/* diesmal Zeiger auf String */
struct knoten *links, *rechts;
} ;
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10-25
10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
• in Algorithmen (Programmen)
Jedes Verfahren kann in allgemein folgendermaß definiert
werden:
P =  ( Si , P )
Jeder rekursive Aufruf muss aber durch Erfüllung einer
Bedingung beendet werden, d.h.
P = if B then  ( Si , P ),
oder besser
P =  ( Si , if B then P ).
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Beispiel: Berechnung der Fakultät-Funktion
long fak_rek (int n) {
if (n > 1) return (n * fak_rek (n-1));
else return (n);
}
ohne Rekursion:
long fak_it (int n) {
int i;
long f = 1;
if (n > 1) {
for (i=1; i<=n; i++)
f *= i;
return (f);
} else return (n);
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Inhalt des Binärbaumes sortiert ausgeben:
Definition:
struct knoten
{
char *inhalt;
/* diesmal Zeiger auf String */
struct knoten *links, *rechts;
} *Baum;
Algorithmus der Ausgabe:
void Ausgeben (struct knoten *B) {
if (B != NULL) {
Ausgeben (B->links);
printf ("%s, ", *(B->inhalt));
Ausgeben (B->rechts);
}
}
/* Baum B ausgeben */
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Hanoi – Türme:
/**********************************************************
*
Türme von Hanoi: Ausgabe der Züge für diese Türme
*
**********************************************************/
void turm (char quelle, char hilf, char ziel, int k)
{
if (k==1)
/* Ende der Rekursion */
printf (" %c -> %c\n", quelle, ziel);
else {
turm (quelle, ziel, hilf, k-1);
printf (" %c -> %c\n", quelle, ziel);
turm (hilf, quelle, ziel, k-1);
}
}
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Rekursives Sortierverfahren – Quick-Sort
quicksort (int a[], int left, int
int i, j, pivot, temp;
i = left; j = right; pivot
do {
while (a[i] < pivot) i++;
while (a[j] > pivot) j--;
if (i <= j) {
temp = a[i];
a[i] = a[j];
a[j] = temp;
i++; j--; }
} while (i <= j);
if (left < j) quicksort (a,
if (i < right) quicksort (a,
}
right) { /* aufsteigend sort. */
= a[(left+right)/2];
/*
Items wechseln
*/
left, j);
i, right);
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
Zusammenfassung
► Verwendung von mehrfach strukturierten Datenobjekten sowie auch
standardisierten Algorithmen und Methoden (Suchverfahren, Sortierverfahren usw.) vereinfacht das Schreiben von Programmen und erhöht
ihre Übersichtlichkeit.
► Mehrheit von effizienten Suchalgorithmen (binäre Suche, Fibonacci-Suche
u.v.a.) verlangt das Sortieren (Aneinanderreihung) des Suchraumes nach
dem Suchschlüssel.
► Wenn die zu durchsuchenden Daten nach dem Schlüssel nicht sortiert sind,
ist nur der Algorithmus der sequentiellen Suche zu verwenden.
► Direkte und indirekte Sortiermethoden sind zu verwenden.
► Direkte Methoden ändern die physische Aneinanderreihung von Daten,
indirekte Methoden benutzen zur Aneinanderreihung verschiedene
Hilfsstrukturen (Adressierungsvektoren oder -tabellen, verkettete Listen,
Baumstrukturen usw.).
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10. Fortgeschrittene Programmiertechniken
► Verwendung von Sortiermethoden ist vom Vorsortieren der zu sortierenden
Datenfolgen abhängig.
► Verwendung der Rekursion vereinfacht wesentlich die Zerlegung von
Verarbeitungsverfahren und die Erzeugung von Programmen.
► Es ist die Rekursion in Datenstrukturen und in Kontrollstrukturen
(Programmen, Prozeduren, Funktionen, ...) zu unterscheiden.
► Rekursive Algorithmen und Programme sind sehr übersichtlich, aber ihre
Verarbeitungskomplexität ist often höher, als bei den klassischen
(sequentiellen oder iterativen) Programmstrukturen.
► Verwendung der Rekursion in Kontrollstrukturen (Programmen) ist meistens
berechtigt, falls die benutzten Datenstrukturen auch rekursiv definiert
werden (Algorithmen der Suche in Listen, Bäumen, usw.).
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