Sortieralgorithmen realisiert mit selbstreferenzierenden

Sortieralgorithmen realisiert mit
selbstreferenzierenden Datenstrukturen
Einleitung
Um einzelne Daten oder auch Elemente sortieren zu können, müssen wir sie vergleichen
können. In einer Java-Anwendung definieren wir ein entsprechendes interface, dass Methoden zum Vergleich von Elementen bzw. Objekten bereit stellt. Deshalb muss jede Klasse,
die ein Element implementiert, das sortiert werden kann, die benötigte Comparator Objekte liefern. Siehe auch Figur 1.
Um die Prinzipien von Sortieralgorithmen genauer zu studieren, sollen die folgenden
Algorithmen unter Nutzung von selbstreferenzierenden Datenstrukturen implementiert
werden:
Aufgabe 1 Sortieren durch Auswahl (selection sort) und Einfügen (insertion sort), wobei
die unterliegende Datenstruktur eine einfach verkettete Liste ist. Sorgen Sie dafür
das die Implementierungen eine stabile Sortierung gewährleisten!
Aufgabe 2 Quicksort mit Drei-Wege-Partitionierung, eine Optimierung falls viele Duplikate Elemente vorkommen. Die unterliegende Datenstruktur sollte eine einfacheoder eine doppelt-verkettete Liste sein.
Aufgabe 3 Heapsort, wobei die unterliegende Datenstruktur ein Binärbaum ist.
Beispiel Anwendung: Student Objekte sortieren mit hilfe eines
Comparators
Wir nehmen an, dass die Attribute einer Studenten bestehen aus: Vorname, Nachname, Studentnummer, PCN, und Gruppennummer; s. Abbildung 1. (Sie dürfen auch eine
Klasse eigener Bauart nehmen zum testen Ihren Sortieralgorithmen.)
Student
Student
-firstName: String
-lastname: String
-studentNumber: int
-pcn: int
-group: int
Comparator
STUDENTNRCOMPARATOR
compare(s1:Student,s2:Student):int
1
STUDENTNAMECOMPARATOR
1
Abbildung 1: Student Klassendiagramm
Ein Comparator ist Parameter der sort Methode! Der Konstruktor der Sorter-Klasse
sortiert noch nichts! Der Konstruktor speichert lediglich die Items in der internen Datenstruktur im Sorter-Objekt. Ab dann kann man sich ein Comparator auswählen womit
man die Items sortieren kann. Wenn man ein anderen Comparator nimmt, kan das SorterObjekt die Items neu sortieren!
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Aufgaben
1. Implementieren Sie die Methoden:
Selectionsort, Insertionsort, Quicksort & Heapsort.
2. Nehmen Sie einen einfachen und gleichzeitig flexiblen Entwurf: ein basicsort package mit Domäne-Klassen für selectionsort und insertionsort: die zB die Klasse CNode
(ein vergleichbares Objekt) und die Sortier-Klasse enthält. Sie dürfen die Knoten
in die verkettete Datenstrukturen vergleichbar (comparable) machen, aber das ist
kein pflicht! Andere Sortiermethoden sollen in gleicher Weise dargestellt werden, s.
Abbildung 2 und 3. Auf gleicher art ist ein CTNode Objekt ein Comparable Tree
Node Objekt, geeignet für Bäume. Beispiel einer Klassen-Header:
public class CTNode<T> implements Comparable<CTNode<T>>
Abbildung 2: Comparable Nodes (dies ist nur ein Vorschlag, Sie können ohne weiteres
eine andere Implentierung nehmen)
3. Die Sortierung der Studenten (oder die Objekte eigener Wahl) soll über die Namen
oder über die Studentennummer oder über die PCN durchgeführt werden können.
Das Java Comparator Interface soll hier mithilfen. Die Sortierklassen müssen das
Sort interface implementieren, und diesen Interface schreibt die nachfolgende
Methode vor:
Queue<T> sort(Comparator<T> comparator)
4. Die Konstruktoren der Sortierklassen:
Selectionsort, Insertionsort, Quicksort & Heapsort haben einen Array als
Parameter. Diesen Array soll nicht sortiert werden!! Das Array ist nur dafür da die
Items zu liefern womit die verkettet Datenstruktur befüllt wird. Eine Queue ist das
Ergebnis der Sortierung (Methode sort). Das kleinste Item kommt immer als erste
aus diesen Queue heraus.
5. Benutzen Sie einen testgetriebenen Ansatz zur Implementierung des Sortierungsverfahren: Schreiben Sie dazu zuerst einen Test. Dann schreiben Sie den Programmcode
und führen, bitte, anschließend den Test aus. Benutzen Sie schließlich Refaktorisierung, um den Entwicklungsprozess fortzusetzen. Prinzipiell ist eine Implementierung, ausgerüstet mit einer Reihe von JUnit-Tests ausreichend!
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Bericht
• Verfasse einen Bericht, indem die Ergebnisse präsentiert werden. Alle Realisierungen
der Datenstrukturen sollen eigene Implementierungen sein: die Verwendung von
Java-Collections ist nicht gestattet. Alle nicht-trivialen Implementierungen sollten
im Bericht erläutert werden.
• Für alle Implementierungen der sort Methode aus der Sort Schnittstelle muss eine
Zeit-Komplexitätsanalyse erstellt werden!
• Schreiben Sie einen kurzen Teil im Bericht, in dem Sie Ihre Tests motivieren und
die Testergebnisse erklären.
• Die Programmdokumentation muss ein Klassendiagramm mit Attributen und Methoden enthalten. Als Basis dafür gilt das unten angegebene Klassendiagramm.
sort
T:Object
T:Object
Queue
«interface»
Sort
«create»
sort(comp:Comparator<T>):SQueue<T>
heapsort
+Queue()
+put(T)
+get():T
+empty():boolean
basicsort
T:Object
T:Object
HeapSorter
InsertionSorter
+HeapSorter(T[] arr)
+InsertionSorter(T[] arr)
T:Object
SelectionSorter
CTNode<T>
heap
+SelectionSorter(T[] arr)
Comparable
+compareTo(obj:CTNode<T>):int
T:Object
1
quicksort
CTNode
T:Object
+CTNode(T content, Comparator<T> comp)
+compareTo(CTNode<T> o):int
QuickSorter
+QuickSorter(T[] arr)
Abbildung 3: Klassendiagramm für die Sortiermethoden. Als Beispiel ist in der heapsort
package auch die CTNode-Klasse aufgenommen. Der Code der Basisstruktur ist schon in
euren Repository.
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