Prednáška 21

Oznamy

Plán prednášok a cvičení na zvyšok semestra:

• Dnes informácia o skúškach, detaily skúšky z programovania, pokračujeme v učive o stromoch
• Tento piatok 10.12. cez cvičenia semestrálny test.
• V pondelok 13.12. bude bežná prednáška, pokračujú stromy.
• V stredu 15.12. dokončíme stromy, potom nepovinná prednáška o nepreberaných črtách jazykov C a C++ (táto nepovinná časť učiva nebude vyžadovaná na skúške, ale môžete ju použiť).
• V utorok 14.12. v rámci cvičení tréning na skúšku.
  • Už dnes po prednáške sa na testovači objavia tréningové príklady na skúšku. Za niektoré budete môcť získať bonusový bod, ak ich vyriešite do 12.1. (ako tréning sa dajú riešiť aj neskôr). V utorok na cvičeniach pribudne ešte jeden tréningový príklad za 4 body. Ak prídete na cvičenia a odovzdáte na konci aspoň rozumne rozrobenú verziu programu, získate jeden bonusový bod, aj keď ho nestihnete dokončiť.
• V piatok 17.12. od 12:00 predtermín skúšky, doplnkové cvičenia nebudú

Sylaby predmetu

Základy

Konštrukcie jazyka C

• premenné typov int, double, char, bool, konverzie medzi nimi
• podmienky (if, else, switch), cykly (for, while)
• funkcie (a parametre funkcií - odovzdávanie hodnotou, referenciou, smerníkom)

void f1(int x){}                                 //hodnotou
void f2(int &x){}                                //referenciou
void f3(int* x){}                                //smerníkom
void f(int a[], int n){}                         //polia bez & (ostanú zmeny)
void kresli(Turtle &t){}                         //korytnačky, SVGdraw a pod. s &

Polia, reťazce (char[])

int A[4]={3, 6, 8, 10}; 
int B[4];               
B[0]=3; B[1]=6; B[2]=8; B[3]=10;

char C[100] = "pes";
char D[100] = {'p', 'e', 's', 0};

• funkcie strlen, strcpy, strcmp, strcat

Súbory, spracovanie vstupu

• cin, cout alebo printf, scanf
• fopen, fclose, feof
• fprintf, fscanf
• getc, putc, ungetc, fgets, fputs
• spracovanie súboru po znakoch, po riadkoch, po číslach alebo slovách

Smerníky, dynamicky alokovaná pamäť, dvojrozmerné polia

int i;    // „klasická“ celočíselná premenná
int *p;   // ukazovateľ na celočíselnú premennú

p = &i;         // spravne
p = &(i + 3);   // zle i+3 nie je premenna
p = &15;        // zle konstanta nema adresu
i = *p;         // spravne ak p bol inicializovany

int * cislo = new int;  // alokovanie jednej premennej
*cislo = 50;
..
delete cislo;

int a[4];
int *b = a;  // a,b su teraz takmer rovnocenne premenne 

int *A = new int[n]; // alokovanie 1D pola danej dlzky
..
delete[] A;

int **a;       // alokovanie 2D matice
a = new int *[n];
for (int i = 0; i < n; i++) a[i] = new int[m];
..
for (int i = 0; i < n; i++) delete[] a[i];
delete[] a;

Abstraktné dátové typy

Abstraktný dátový typ dynamické pole (rastúce pole)

• operácie init, add, get, set, length

Abstraktný dátový typ množina (set)

• operácie init, find, insert, remove
• implementácie pomocou
  • neutriedeného poľa
  • utriedeného poľa
  • spájaných zoznamov
  • binárnych vyhľadávacích stromov
  • hašovacej tabuľky
  • lexikografického stromu (ak kľúč je reťazec)

Abstraktné dátové typy rad a zásobník

• operácie pre rad (frontu, queue): init, isEmpty, enqueue, dequeue, peek
• operácie pre zásobník (stack): init, isEmpty, push, pop
• implementácie: v poli alebo v spájanom zozname
• využitie: ukladanie dát na spracovanie, odstránenie rekurzie
• kontrola zátvoriek a vyhodnocovanie výrazov pomocou zásobníka

Dátové štruktúry

Spájané zoznamy

struct node {
    int data;
    item* next;
};
struct linkedList {
    item* first;
};
void insertFirst(linkedList &z, int d){
    /* do zoznamu z vlozi na zaciatok novy prvok s datami d */
    item* p = new item;   // vytvoríme nový prvok
    p->data = d;          // naplníme dáta
    p->next = z.first;    // prvok bude prvým prvkom zoznamu (ukazuje na doterajší začiatok)
    z.first = p;          // tento prvok je novým začiatkom
}

Strom pre výraz (65 – 3*5)/(2 + 3)

Binárne stromy

struct node {
    /* vrchol stromu  */
    dataType data;
    node * left;  /* lavy syn */
    node * right; /* pravy syn */
};

node * createNode(dataType data, node *left, node *right) {
    node *v = new node;
    v->data = data;
    v->left = left;
    v->right = right;
    return v;
}

• prehľadávanie inorder, preorder, postorder
• použitie na uloženie aritmetických výrazov

Binárne vyhľadávacie stromy

• vrcholy vľavo od koreňa menší kľúč, vpravo od koreňa väčší
• insert, find, remove v čase závisiacom od hĺbky stromu

Lexikografické stromy

• ukladajú množinu reťazcov
• nie sú binárne: vrchol môže mať veľa synov
• insert, find, remove v čase závisiacom od dĺžky kľúča, ale nie od počtu kľúčov, ktoré už sú v strome

struct node {
    /* vrchol lexikografickeho stromu  */
    char data; // pismeno ulozene v tomto vrchole
    bool isWord; // je tento vrchol koncom slova?
    node* next[Abeceda]; // pole smernikov na deti    
};

Hašovanie

• hašovacia tabuľka veľkosti m
• kľúč k premietneme nejakou funkciou na index v poli (0,...,m-1}
• každé políčko hašovacej tabuľky spájaný zoznam prvkov, ktoré sa tam zahašovali
• v ideálnom prípade sa prvky rozhodia pomerne rovnomerne, zoznamy krátke, rýchle hľadanie, vkladenie, mazanie
• v najhoršom prípade všetky prvky v jednom zozname, pomalé hľadanie a mazanie

int hash(int k, int m){ // veľmi jednoduchá hašovacia funkcia, v praxi väčšinou zložitejšie
    return abs(k) % m;
}
struct node {
    int item;
    node* next;
};

struct set {
    node** data;
    int m;
};

Algoritmy

Rekurzia

• Rekurzívne funkcie
• Vykresľovanie fraktálov
• Prehľadávanie s návratom (backtracking)
• Vyfarbovanie
• Prehľadávanie stromov

Triedenia

• nerekurzívne: Bubblesort, Selectionsort, Insertsort
• rekurzívne: Mergesort, Quicksort
• súvisiace algoritmy: binárne vyhľadávanie

Matematické úlohy

• Euklidov algoritmus, Eratostenovo sito
• Práca s aritmetickými výrazmi: vyhodnocovanie postfixovej formy, prevod z infixovej do postfixovej, reprezentácia vo forme stromu

Binárne vyhľadávacie stromy

Príklad binárneho vyhľadávacieho stromu.

Stromy sa v informatike často používajú. Ďalším príkladom sú binárne vyhľadávacie stromy, ktoré slúžia na ukladanie množiny prvkov. Prvky množiny teda nemáme v poli, ani v spájanom zozname, ale vo vrcholoch binárneho stromu.

• V binárnom vyhľadávacom strome má každý vrchol 0,1 alebo 2 deti
• V každom vrchole máme položku s dátami (pre jednoduchosť typu int)
• Pre každý vrchol v stromu platí:
  • Každý vrchol v ľavom podstrome v má hodnotu data menšiu ako vrchol v
  • Každý vrchol v pravom podstrome v má hodnotu data väčšiu ako vrchol v
• Z toho vyplýva, že ak vypíšeme strom v inorder poradí, dostaneme prvky usporiadané
• Pre danú množinu kľúčov existuje veľa vyhľadávacích stromov

Cvičenie: nájdite všetky binárne vyhľadávacie stromy pozostávajúce z troch uzlov s kľúčmi 1, 2, 3.

Definícia dátových štruktúr

Vrchol typu node

• Položka data typu int
• Smerník na ľavé a pravé dieťa
• Na niektoré úlohy (napr. mazanie vrcholu) sa hodí aj smerník na rodiča (ten má hodnotu NULL v koreni)

Celý strom je štruktúra obsahujúca iba smerník na koreň

• Pre prázdny strom je to NULL.

struct node {
    /* vrchol binárneho vyhľadávacieho stromu  */
    int data;       /* hodnota */
    node * parent;  /* rodič vrchola, NULL v koreni */
    node * left;    /* ľavé dieťa, NULL ak neexistuje */
    node * right;   /* pravé dieťa, NULL ak neexistuje */
};

/* Samotná štruktúra binárneho vyhľadávacieho stromu (obal pre používateľa). */
struct binarySearchTree {
    node *root;  /* koreň stromu, NULL pre prázdny strom */
};

Inicializácia prázdneho binárneho vyhľadávacieho stromu

/** Funkcia inicializuje prázdny binárny vyhľadávací strom */
void init(binarySearchTree &t) {    
    t.root = NULL;
}

Likvidácia binárneho vyhľadávacieho stromu

Likvidáciu podstromu zakoreneného v danom uzle root realizujeme funkciou destroy, obdobne ako pri všeobecných binárnych stromoch. Používateľovi navyše dáme k dispozícii aj funkciu bstDestroy, ktorá zlikviduje binárny vyhľadávací strom t tak, že zavolá funkciu destroy na jeho koreň.

/* Uvolni pamat pre podstrom s korenom *root. */
void destroy(node *root) {
    if (root != NULL) {
        destroy(root->left);
        destroy(root->right);
        delete root;
    }
}

/* Zlikviduje strom t (uvolni pamat). */
void bstDestroy(binarySearchTree &t) {
    destroy(t.root);
}

Hľadanie v binárnom vyhľadávacom strome

Nasledujúca funkcia findNode sa pokúsi v podstrome zakorenenom v uzle *root vyhľadať uzol, ktorého kľúč je rovný key. Ak existuje aspoň jeden taký uzol, vráti smerník na niektorý z nich (to je užitočné najmä v prípade, keď sú kľúče po dvoch rôzne). V opačnom prípade vráti NULL.

Pri hľadaní uzla s hodnotou key bude funkcia findNode využívať definujúcu vlastnosť binárnych vyhľadávacích stromov: ak je hľadaná hodnota kľúča key menšia, než kľúč koreňa podstromu *root, pokračuje v hľadaní v jeho ľavom podstrome; ak je naopak väčšia, pokračuje v hľadaní v jeho pravom podstrome. Ak je kľúč koreňa *root rovný key, ide o hľadaný uzol a smerník naň tak možno ihneď vrátiť na výstupe.

Používateľovi pritom opäť poskytneme aj „baliacu” funkciu bstFind, ktorá zavolá funkciu findNode pre koreň daného binárneho vyhľadávacieho stromu t a pomocou nej zistí, či tento strom obsahuje uzol s kľúčom key.

/* Ak v strome s korenom *root existuje uzol s klucom key, vrati ho na vystupe. Inak vrati NULL. */
node *findNode(node *root, int key) {
    if (root == NULL || root->key == key) {
        return root;
    } else if (key < root->key) {
        return findNode(root->left, key);
    } else {
        return findNode(root->right, key);
    }
}


// ...


/* Zisti, ci strom t obsahuje uzol s klucom key. */
bool bstFind(binarySearchTree &t, int key) {
    return findNode(t.root, key) != NULL;
}

Čas výpočtu je v najhoršom prípade úmerný výške stromu. Poznamenajme ešte, že funkciu findNode je možné realizovať aj nerekurzívne, napríklad takto:

node *findNode(node *root, int key) {
    node *v = root;
    while (v != NULL && v->key != key) {
        if (key < v->key) {
            v = v->left;
        } else {
            v = v->right;
        }
    }
    return v;
}

Vkladanie do binárneho vyhľadávacieho stromu

Nasledujúca funkcia insertNode vloží uzol *v na správne miesto podstromu zakoreneného v *root ako jeho list. Postupuje pritom rekurzívne: ak zistí, že uzol *v má kľúč menší, než *root, pokúsi sa ho vložiť do ľavého podstromu uzla *root; v opačnom prípade sa ho pokúsi vložiť do pravého podstromu.

Používateľovi následne poskytneme „baliacu” funkciu bstInsert, ktorá vytvorí uzol s daným kľúčom key a pomocou funkcie insertNode ho vloží do binárneho vyhľadávacieho stromu t.

/* Vlozi uzol *v na spravne miesto podstromu zakoreneneho v *root */
void insertNode(node *root, node *v) {
    assert(root != NULL && v != NULL);
    if (v->key < root->key) {
        if (root->left == NULL) {
            root->left = v;
            v->parent = root;
        } else {
            insertNode(root->left, v);
        }
    } else {
        if (root->right == NULL) {
            root->right = v;
            v->parent = root;
        } else {
            insertNode(root->right, v);
        }
    }
}


// ...


/* Vlozi do stromu t novy uzol s klucom key. */
void bstInsert(binarySearchTree &t, int key) {
    node *v = new node;
    v->key = key;
    v->left = NULL;
    v->right = NULL;
    v->parent = NULL;
    if (t.root == NULL) {
        t.root = v;
    } else {
        insertNode(t.root, v);
    }
}

Čas vkladania je tiež v najhoršom prípade úmerný hĺbke stromu.

Cvičenie č. 1: napíšte nerekurzívny variant funkcie insertNode.

Cvičenie č. 2: napíšte funkciu treeSort, ktorá z poľa celých čísel a pomocou volaní funkcie bstInsert vytvorí binárny vyhľadávací strom a následne pomocou prehľadávania tohto stromu v poradí inorder pole a utriedi.

Minimálny uzol

Nasledujúca funkcia minNode nájde v podstrome zakorenenom v *root uzol s minimálnym kľúčom. Je pritom založená na skutočnosti, že všetky uzly tohto podstromu s kľúčom menším ako root->key sa musia nachádzať v ľavom podstrome uzla *root.

„Obalom” pre používateľa bude funkcia bstMin, ktorá pomocou funkcie minNode nájde minimálny kľúč v danom binárnom vyhľadávacom strome t.

/* Vrati (niektory) uzol s minimalnou hodnotou key v podstrome s korenom *root. */
node *minNode(node *root) {
    assert(root != NULL);
    if (root->left != NULL) {
        return minNode(root->left);
    } else {
        return root;
    }
}


// ...


/* Vrati minimalny kluc uzla v strome t. */
int bstMin(binarySearchTree &t) {
    assert(t.root != NULL);
    return minNode(t.root)->key; 
}

Cvičenie: napíšte nerekurzívny variant funkcie minNode.

Následník uzla

Funkcia successorNode nájde pre daný uzol *v jeho následníka (angl. successor) v binárnom vyhľadávacom strome – čiže uzol, ktorý vo vzostupnom poradí podľa kľúčov nasleduje bezprostredne za uzlom *v. Je pritom založená na nasledujúcich pozorovaniach:

• Ak má uzol *v pravého syna, následník uzla *v musí byť v jeho pravom podstrome – konkrétne pôjde o minimálny uzol z tohto podstromu.
• V opačnom prípade môže byť následníkom uzla *v jeho otec (ak *v je jeho ľavý syn). Ak je *v pravým synom svojho otca, môže to byť aj jeho starý otec (ak je otec uzla *v ľavým synom tohto starého otca), atď. Vo všeobecnosti teda ide o najbližšieho predka uzla *v takého, že *v patrí do jeho ľavého podstromu.
• V strome existuje práve jeden uzol bez následníka (jeden spomedzi najväčších prvkov).

/* Vrati uzol, ktory vo vzostupnom poradi uzlov podla klucov nasleduje za *v. Ak taky uzol neexistuje, vrati NULL. */
node *successorNode(node *v) {
    assert(v != NULL);
    if (v->right != NULL) {
        return minNode(v->right);
    }
    while (v->parent != NULL && v == v->parent->right) {
        v = v->parent;
    }
    return v->parent;
}

Mazanie z binárneho vyhľadávacieho stromu

Nasledujúca funkcia bstRemove zmaže z binárneho vyhľadávacieho stromu t práve jeden uzol s kľúčom key (ak sa taký uzol v strome vyskytuje). Pracuje tak, že najprv pomocou funkcie findNode nájde uzol *v s kľúčom key. V prípade úspechu zistí počet synov uzla *v. Ak totiž *v nemá žiadneho syna alebo má len jedného syna, možno ho zo stromu t zmazať jednoducho tak, že sa prípadný syn uzla *v stane synom otca uzla *v. V prípade, že má *v dvoch synov je však zrejmé, že jeho následník sa musí nachádzať v jeho neprázdnom pravom podstrome. Tento následník *rm navyše nemôže mať ľavého syna. Odstránenie kľúča key je teda možné realizovať tak, že sa kľúč uzla *rm presunie do uzla *v a následne sa odstráni uzol *rm tak, ako je popísané vyššie.

/* Zmaze zo stromu t prave jeden uzol s klucom key (ak tam taky je). */
void bstRemove(binarySearchTree &t, int key) {
    node *v = findNode(t.root, key);                   // Najde uzol v s hodnotou, ktoru treba vymazat.
    if (v == NULL) {
        return;
    }
    
    node *rm;                                          // Najde uzol *rm stromu t, ktory sa napokon realne zmaze.   
    if (v->left == NULL || v->right == NULL) {         
        rm = v;
    } else  {
        rm = successorNode(v);
    }
   
    if (rm != v) {                                     // Ak rm != v, presunie kluc uzla *rm do uzla *v. 
        v->key = rm->key;
    }
    
    node *child;                                       // Zmaze uzol *rm a uvolni pamat alokovanu pre tento uzol.
    if (rm->left != NULL) {
        child = rm->left;
    } else {
        child = rm->right;
    }                   
    if (child != NULL) {
        child->parent = rm->parent;
    }
    if (rm->parent == NULL) {
        t.root = child;
    } else if (rm == rm->parent->left) {
        rm->parent->left = child;    
    } else if (rm == rm->parent->right) {
        rm->parent->right = child;
    }
    delete rm;
}

Zložitosť jednotlivých operácií

• Časová zložitosť operácií bstFind(t), bstInsert(t) aj bstRemove(t) je úmerná hodnote height(t), čo je výška stromu t.
• Minule sme ukázali, že pre výšku h stromu s n vrcholmi je log₂(n+1)-1 ≤ h ≤ n-1.
• Zložitosť uvedených operácií je teda v najhoršom prípade lineárna od počtu uzlov stromu (tento prípad nastane, ak prvky vkladáme od najmenšieho po najväčší alebo naopak).
• Dá sa však ukázať, že v priemernom prípade je ich zložitosť rádovo logaritmická od počtu uzlov.
• Na predmete Algoritmy a dátové štruktúry (druhý ročník) sa tieto tvrdenia dokazujú poriadne a preberajú sa tam aj varianty vyhľadávacích stromov, pre ktoré je zložitosť uvedených operácií logaritmická aj v najhoršom prípade.

Príklad programu pracujúceho s binárnymi vyhľadávacími stromami

Nasledujúci program realizuje základné operácie s binárnymi vyhľadávacími stromami podľa príkazov zadávaných používateľom na konzolu.

#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cassert>
using namespace std;


// ...


int main(void) {
    binarySearchTree t;
    bstInit(t);
    char command[20];
    int key;
    while (true) {
        scanf("%19s", command);
        if (strcmp(command, "insert") == 0) {
            scanf("%d", &key);
            bstInsert(t, key);
        }
        if (strcmp(command, "remove") == 0) {
            scanf("%d", &key);
            bstRemove(t, key);
        }
        if (strcmp(command, "find") == 0) {
            scanf("%d", &key);
            bool b = bstFind(t, key);
            if (b) {
                printf("YES\n");
            } else {
                printf("NO\n");
            }
        }
        if (strcmp(command, "min") == 0) {
            printf("%d\n", bstMin(t));
        }
        if (strcmp(command, "exit") == 0) {
            break;
        }
    }
    bstDestroy(t);                     
    return 0;
}