Тема 4. Полустатические структуры данных

4.1. Общие характеристики полустатических структур

Полустатические структуры данных характеризуются такими признаками:

* имеют переменную длину и простые процедуры ее изменения;

* изменение длины структуры происходит в определенных пределах, не превышая какого-то максимального (предельного) значения.

Если полустатическую структуру рассматривать на логическом уровне, то это последовательность данных, связанная отношениями линейного списка. Доступ к элементу может осуществляться по его порядковому номеру.

Физическое представление полустатических структур данных в памяти - это обычно последовательность слотов в памяти, где каждый следующий элемент расположен в памяти в следующем слоте (т.е. вектор). Физическое представление может иметь, также, вид однонаправленного связного списка (цепочки), где каждый следующий элемент адресуется указателем находящимся в текущем элементе. В последнем случае ограничения на длину структуры гораздо менее строгие.

4.2 Стеки (очереди LIFO)

4.2.1 Логическая структура стека

Стек - такой последовательный список с переменной длиной, для которого включение и исключение элементов выполняются только с одной стороны списка, называемого вершиной стека (Last In - First Out - "последним пришел - первым исключается"). Основные операции над стеком:

· включение нового элемента (английское название push - заталкивать),

· исключение элемента из стека (англ. pop - выскакивать).

Полезными могут быть также вспомогательные операции:

* определение текущего числа элементов в стеке;

* очистка стека;

неразрушающее чтение элемента из вершины стека

4.2.2 Машинное представление стека и реализация операций

При представлении стека в статической памяти для него выделяется память, как для вектора. В дескрипторе этого вектора кроме обычных для вектора параметров должен находиться также указатель стека - адрес вершины стека. Указатель стека может указывать либо на первый свободный элемент стека, либо на последний записанный в стек элемент. (Какой из этих двух вариантов выбрать, все равно, важно в последствии строго придерживаться его при обработке стека.) В дальнейшем мы будем всегда считать, что указатель стека адресует первый свободный элемент и стек растет в сторону увеличения адресов.

При занесении элемента в стек элемент записывается на место, определяемое указателем стека, затем указатель модифицируется таким образом, чтобы он указывал на следующий свободный элемент (если указатель указывает на последний записанный элемент, то сначала модифицируется указатель, а затем производится запись элемента). Модификация указателя состоит в прибавлении к нему или в вычитании из него единицы.

Операция исключения элемента состоит в модификации указателя стека (в направлении, обратном модификации при включении) и выборке значения, на которое указывает указатель стека. После выборки слот, в котором размещался выбранный элемент, считается свободным.

Операция очистки стека сводится к записи в указатель стека начального значения - адреса начала выделенной области памяти.

Определение размера стека сводится к вычислению разности указателей: указателя стека и адреса начала области.

4.3 Очереди FIFO

4.3.1 Логическая структура очереди

Очередью FIFO (First In - First Out - "первым пришел - первым исключается") называется такой последовательный список переменной длины, в котором включение элементов выполняется только с одной стороны списка (эту сторону часто называют концом или хвостом очереди), а исключение - с другой стороны (начало или голова очереди). Основные операции над очередью - те же, что и над стеком - включение, исключение, определение размера, очистка, неразрушающее чтение.

4.3.2 Машинное представление очереди FIFO и реализация операций

При представлении очереди вектором в статической памяти в дополнение к обычным для дескриптора вектора параметрам в нем должны находиться два указателя: на начало очереди (на первый элемент в очереди) и на ее конец (первый свободный элемент в очереди). При включении элемента в очередь элемент записывается по адресу, определяемому указателем на конец, после чего этот указатель увеличивается на единицу. При исключении элемента из очереди выбирается элемент, адресуемый указателем на начало, после чего этот указатель уменьшается на единицу.

Очевидно, что со временем указатель на конец при очередном включении элемента достигнет верхней границы той области памяти, которая выделена для очереди. Однако, если операции включения чередовались с операциями исключения элементов, то в начальной части отведенной под очередь памяти имеется свободное место. Для того, чтобы места, занимаемые исключенными элементами, могли быть повторно использованы, очередь замыкается в кольцо: указатели (на начало и на конец), достигнув конца выделенной области памяти, переключаются на ее начало. Такая организация очереди в памяти называется кольцевой очередью.

В исходном состоянии указатели на начало и на конец указывают на начало области памяти. Равенство этих двух указателей (при любом их значении) является признаком пустой очереди. Если в процессе работы с кольцевой очередью число операций включения превышает число операций исключения, то может возникнуть ситуация, в которой указатель конца "догонит" указатель начала. Это ситуация заполненной очереди. Для различения этих двух ситуаций к кольцевой очереди предъявляется требование, чтобы между указателем конца и указателем начала оставался "зазор" из свободных элементов. Когда этот "зазор" сокращается до одного элемента, очередь считается заполненной и дальнейшие попытки записи в нее блокируются. Очистка очереди сводится к записи одного и того же (не обязательно начального) значения в оба указателя. Определение размера состоит в вычислении разности указателей с учетом кольцевой природы очереди.

4.4 Деки

Дек (deq - double ended queue,т.е очередь с двумя концами)- особый вид очереди в виде последовательного списка, в котором как включение, так и исключение элементов может осуществляться с любого из двух концов списка. Частный случай дека - дек с ограниченным входом и дек с ограниченным выходом.

Логическая и физическая структуры дека аналогичны логической и физической структуре кольцевой FIFO-очереди. Однако, применительно к деку целесообразно говорить не о начале и конце, а о левом и правом конце.

Над деком определены следующие операции:

* включение элемента справа;

* включение элемента слева;

* исключение элемента справа;

* исключение элемента слева;

* определение размера;

* очистка.

4.5 Строки

4.5.1 Логическая структура строки

Строка - это линейно упорядоченная последовательность символов, принадлежащих конечному множеству символов, называемому алфавитом. Строки обладают следующими важными свойствами:

· их длина, как правило, переменна, хотя алфавит фиксирован;

· обычно обращение к символам строки идет с какого-нибудь одного конца последовательности, т.е важна упорядоченность этой последовательности, а не ее индексация; в связи с этим свойством строки часто называют также цепочками;

· чаще всего целью доступа к строке является на отдельный ее элемент (хотя это тоже не исключается), а некоторая цепочка символов в строке.

Хотя строки рассматриваются в теме, посвященной полустатическим структурам данных, в тех или иных конкретных задачах изменчивость строк может варьироваться от полного ее отсутствия до практически неограниченных возможностей изменения. Ориентация на ту или иную степень изменчивости строк определяет и физическое представление их в памяти и особенности выполнения операций над ними. В большинстве языков программирования (C, PASCASL, PL/1 и др.) строки представляются именно как полустатические структуры.

4.5.2 Операции над строками

Базовыми операциями над строками являются:

* определение длины строки;

* присваивание строк;

* конкатенация (сцепление) строк;

* выделение подстроки;

* поиск вхождения.

Операция определения длины строки имеет вид функции, возвращаемое значение которой - целое число - текущее число символов в строке.

Операция присваивания имеет тот же смысл, что и для других типов данных.

Операция сравнения строк имеет тот же смысл, что и для других типов данных. Сравнение строк производится по следующим правилам: сравниваются первые символы двух строк. Если символы не равны, то строка, содержащая символ, место которого в алфавите ближе к началу, считается меньшей. Если символы равны, сравниваются вторые, третьи и т.д. символы. При достижении конца одной из строк, строка меньшей длины считается меньшей. При равенстве длин строк и попарном равенстве всех символов в них строки считаются равными.

Результатом операции сцепления двух строк является строка, длина которой равна суммарной длине строк-операндов, а значение соответствует значению первого операнда, за которым непосредственно следует значение второго операнда.

Операция выделения подстроки выделяет из исходной строки последовательность символов, начиная с заданной позиции n, с заданной длиной l.

Операция поиска вхождения находит место первого вхождения подстроки-эталона в исходную строку. Результатом операции может быть номер позиции в исходной строке, с которой начинается вхождение эталона или указатель на начало вхождения. В случае отсутствия вхождения результатом операции должно быть некоторое специальное значение, например, нулевой номер позиции или пустой указатель.

На основе базовых операций могут быть реализованы и любые другие, даже сложные операции над строками. В целях повышения эффективности некоторые вторичные операции также могут быть реализованы как базовые - по собственным алгоритмам, с непосредственным доступом к физической структуре строки.

4.5.3 Представление строк в памяти

Представление строк в памяти зависит от того, насколько изменчивыми являются строки в каждой конкретной задаче, и средства такого представления варьируются от абсолютно статического до динамического. Универсальные языки программирования в основном обеспечивают работу со строками переменной длины, но максимальная длина строки должна быть указана при ее создании. Если программиста не устраивают возможности или эффективность тех средств работы со строками, которые предоставляет ему язык программирования, то он может либо определить свой тип данных "строка" и использовать для его представления средства динамической работы с памятью, либо сменить язык программирования на специально ориентированный на обработку текста (CNOBOL, REXX), в которых представление строк базируется на динамическом управлении памятью.

ВЕКТОРНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОК. Представление строк в виде векторов, принятое в большинстве универсальных языков программирования, позволяет работать со строками, размещенными в статической памяти.

Самым простым способом является представление строки в виде вектора постоянной длинны. При этом в памяти отводится фиксированное количество байт, в которые записываются символы строки. Если строка меньше отводимого под нее вектора, то лишние места заполняются пробелами, а если строка выходит за пределы вектора, то лишние (обычно справа строки) символы должны быть отброшены.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОК ВЕКТОРОМ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ С ПРИЗНАКОМ КОНЦА.Этот и все последующие за ним методы учитывают переменную длину строк. Признак конца - это особый символ, принадлежащий алфавиту (таким образом, полезный алфавит оказывается меньше на один символ), и занимает то же количество разрядов, что и все остальные символы.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОК ВЕКТОРОМ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ СО СЧЕТЧИКОМ.Счетчик символов - это целое число, и для него отводится достаточное количество битов, чтобы их с избытком хватало для представления длины самой длинной строки, какую только можно представить в данной машине. Счетчик размещается в таком месте, где он может быть легко доступен - в начале строки или в дескрипторе строки. Максимально возможная длина строки ограничена разрядностью счетчика.

ВЕКТОР С УПРАВЛЯЕМОЙ ДЛИНОЙ. Память под вектор с управляемой длиной отводится при создании строки и ее размер и размещение остаются неизменными все время существования строки. В дескрипторе такого вектора-строки может отсутствовать начальный индекс, так как он может быть зафиксирован раз навсегда установленными соглашениями, но появляется поле текущей длины строки. Размер строки, таким образом, может изменяться от 0 до значения максимального индекса вектора. "Лишняя" часть отводимой памяти может быть заполнена любыми кодами - она не принимается во внимание при оперировании со строкой. Поле конечного индекса может быть использовано для контроля превышения длиной строки объема отведенной памяти.

СИМВОЛЬНО-СВЯЗНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОК. Списковое представление строк в памяти обеспечивает гибкость в выполнении разнообразных операций над строками (в частности, операций включения и исключения отдельных символов и целых цепочек) и использование системных средств управления памятью при выделении необходимого объема памяти для строки. Однако, при этом возникают дополнительные расходы памяти.

ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ СПИСОК. Каждый символ строки представляется в виде элемента связного списка; элемент содержит код символа и указатель на следующий элемент. Одностороннее сцепление предоставляет доступ только в одном направлении вдоль строки.

ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ СПИСОК. В каждый элемент списка добавляется также указатель на предыдущий элемент.

БЛОЧНО-СВЯЗНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОК. Такое представление позволяет в большинстве операций избежать затрат, связанных с управлением динамической памятью, но в то же время обеспечивает достаточно эффективное использование памяти при работе со строками переменной длины.

МНОГОСИМВОЛЬНЫЕ ЗВЕНЬЯ ФИКСИРОВАННОЙ ДЛИНЫ. Многосимвольные группы (звенья) организуются в список, так что каждый элемент списка, кроме последнего, содержит группу элементов строки и указатель следующего элемента списка. Поле указателя последнего элемента списка хранит признак конца - пустой указатель. В процессе обработки строки из любой ее позиции могут быть исключены или в любом месте вставлены элементы, в результате чего звенья могут содержать меньшее число элементов, чем было первоначально. По этой причине необходим специальный символ, который означал бы отсутствие элемента в соответствующей позиции строки.

МНОГОСИМВОЛЬНЫЕ ЗВЕНЬЯ ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНЫ. Переменная длинна блока дает возможность избавиться от пустых символов и тем самым экономить память для строки. Однако появляется потребность в специальном символе - признаке указателя. С увеличением длины групп символов, хранящихся в блоках, эффективность использования памяти повышается. Однако негативной характеристикой рассматриваемого метода является усложнение операций по резервированию памяти для элементов списка и возврату освободившихся элементов в общий список доступной памяти.

МНОГОСИМВОЛЬНЫЕ ЗВЕНЬЯ С УПРАВЛЯЕМОЙ ДЛИНОЙ. Память выделяется блоками фиксированной длины. В каждом блоке помимо символов и указателя на следующий блок содержатся номера первого и последнего символов в блоке. Признак пустого символа не используется: при удалении символа оставшиеся символы уплотняются и корректируются граничные номера. Вставка символа может быть выполнена за счет имеющегося в блоке свободного места, а при отсутствии его - выделением нового блока. Хотя операции вставки/удаления требуют пересылки символов, диапазон пересылок ограничивается одним блоком. При каждой операции изменения может быть проанализирована заполненность соседних блоков и два полупустых соседних блока могут быть слиті в один блок. Для определения конца строки может использоваться как пустой указатель в последнем блоке, так и указатель на последний блок в дескрипторе строки.