SDA Lucrarea 3

În acest laborator se vor implementa secvențe cu vectori și liste simplu și dublu înlănțuite.

Secvența (lista abstractă - List)

Secvența este o structură de date abstractă care stochează datele sub forma unui șir de elemente de același fel.

Secvența are următoarele proprietăți:

1. Datele sunt stocate într-o anumită ordine (se poate spune că un element este plasat înaintea sau după un alt element în structură).
2. Numărul de elemente ce poate fi stocat de structură este nelimitat (a nu se confunda cu infinit, există întotdeauna limita dată de memoria disponibilă).
3. Elementele stocate în secvență sunt de același fel.

Secvența suportă următoarele operații de bază:

1. Interogarea numărului de elemente din secvență.
2. Inserția unui element pe o anumită poziție în secvență.
3. Ștergerea unui element de pe o anumită poziție din secvență.
4. Căutarea unui element în secvență (căutare care va întoarce primul index pe care apare elementul în structură).
5. Accesarea unui element de pe o anumită poziție.
6. Dacă există o relație de ordine pe mulțimea din care fac parte elementele, se poate defini operația de sortare a secevenței care implică mutarea elementelor pe alte poziții, astfel încât un element considerat mai mic după relația de ordine folosită să fie plasat înaintea oricărui element considerat mai mare.

Implementarea secvenței cu vectori

În cazul implementării cu vectori, elementele sunt plasate într-un vector de dimensiune fixă și cunoscută. Din cauza faptului că secvența are dimensiune nelimitată, se cere ca vectorii să suporte redimensionarea dinamică a acestora pentru a acomoda elemente suplimentare în momentul când se umplu. Astfel, suntem obligați ca pentru implementarea secvențelor să folosim alocare dinamică de memorie, iar tipul de date care poate fi folosit pentru stocarea adreselor alocate este pointerul. Totuși cunoaștem din lecțiile anterioare faptul că o variabilă de tip pointer nu memorează decât o adresă de start a zonei de memorie alocată, nu și dimensiunea ei. Prin urmare vom defini o structură numită ArrayList care va stoca adresa de start dar și dimensiunea zonei alocate. Mai jos este un exemplu de secvență de valori întregi pe 16 biți:

struct ArrayList {
    short * array;     // pointer la zona de memorie alocată
    unsigned capacity; // dimensiunea zonei alocate
};

În plus față de câmpurile de mai sus, structura ArrayList trebuie să memoreze și numărul de elemente valide din secvență. Motivul fiind acela că inițial, chiar dacă vectorul este alocat și are o capacitate ne-nulă, el nu conține de fapt nici un element. Astfel introducem un nou câmp: size, care reprezintă numărul de elemente din secvență, și care este inițial 0:

struct ArrayList {
    short * array;     // pointer la zona de memorie alocată
    unsigned capacity; // dimensiunea zonei alocate
    unsigned size;     // numarul de elemente valide din secventa
};

Crearea unui ArrayList

Pentru crearea unei secvențe noi, se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia aloca memorie si creeaza un nou ArrayList cu o capacitate initiala.
 * @param initialCapacity capacitatea initiala a secventei.
 * @return pointer la o structura de tip ArrayList. 
 */
struct ArrayList * createArrayList(unsigned initialCapacity);

Implementarea acestei funcții se face folosind următorul algoritm:

1. Se alocă memorie pentru o variabilă de tip struct ArrayList.
2. Se inițializează capacity cu valoarea din initialCapacity.
3. Se inițializează size cu 0.
4. Se alocă memorie pentru un vector de initialCapacity elemente iar adresa alocată se memorează în array.
5. Se întoarce adresa variabilei de tip struct ArrayList.

Interogarea dimensiunii

Pentru interogarea dimensiunii, se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia intoarce numarul de elemente valide din lista specificata.
 * @param list lista pentru care se cere dimensinea.
 * @return numarul de elemente valide din lista list.
 */
unsigned arrayListSize(struct ArrayList * list);

Implementarea acestei funcții se face întorcând direct valoarea câmpului size din structură.

Inserția

Pentru inserția unui element value pe o anumită poziție index se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia inseareaza elementul value pe pozitia index in vector. Daca capacitatea este insuficienta
 *  se face realocare. Se afiseaza un mesaj de eroare daca indexul este mai mare decat size.
 * @param list lista in care se face insertia.
 * @param index indexul pe care se va face insertia
 * @param value valoarea ce trebuie inserata
 */
void arrayListInsert(struct ArrayList * list, unsigned index, short value);

Inserția unui element value pe o anumită poziție index într-o secvență implementată cu vectori, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare decat size, se afișează un mesaj de eroare și funcția se încheie.
2. Dacă size este egal cu capacity, se face realocare de memorie alocând un vector nou de 2 * capacity elemente. Acest lucru se realizează folosind funcția realloc.
3. Lui capacity i se atribuie valoarea 2 * capacity.
4. Se folosește funcția memmove pentru a muta elementele de la poziția index la size - 1 cu un element mai la dreapta.
5. Se atribuie elementului de pe poziția index din vector valoarea value.
6. size se incrementează cu 1.

Ștergerea

Pentru ștergerea unui element de pe o anumită poziție index se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia sterge elementul pe pozitia index in vector. Se afiseaza un mesaj de eroare
 *  daca indexul este mai mare decat (size - 1).
 * @param list lista din care se face stergerea.
 * @param index indexul de la care se va face stergerea
 */
void arrayListDelete(struct ArrayList * list, unsigned index);

Ștergerea unui element de pe o anumită poziție index dintr-o secvență implementată cu vectori, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare decat size - 1, se afișează un mesaj de eroare și funcția se încheie.
2. Se folosește funcția memmove pentru a muta elementele de la poziția index + 1 la size - 1 cu un element mai la stânga.
3. size se decrementează cu 1.

Căutarea

Pentru căutarea unui element value într-o secvență neordonată se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia cauta elementul value in vector si intoarce prima pozitie pe care apare.
 *  Se intoarce -1 daca valoarea nu exista in vector.
 * @param list lista in care se face cautarea.
 * @param value valoarea care se cauta.
 * @return indexul la care apare valoarea sau -1 daca nu exista in vector.
 */
int arrayListSearch(struct ArrayList * list, short value);

Căutarea unui element value într-o secvență neordonată implementată cu vectori, se face urmând următorul algoritm:

1. Se iterează cu o variabilă i de la 0 la size - 1.
2. Dacă elementul de pe poziția i din vector este egal cu value, se întoarce valoarea lui i.
3. Se întoarce valoarea -1.

Accesarea elementului de pe o anumită poziție

Pentru accesarea unui element de pe poziția index dintr-o secvență se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia intoarce elementul din vector de pe poziția index. Daca index este mai mare decat (size - 1) se afiseaza
 *   un mesaj de eroare (si se întoarce 0).
 * @param list lista in care se face accesul.
 * @param index pozitia de la care se doreste citirea elementului. 
 * @return valoarea de la pozitia index sau 0 daca index este mai mare decat (size - 1)
 */
short arrayListGet(struct ArrayList * list, unsigned index);

Accesarea unui element de pe poziția index dintr-o secvență neordonată implementată cu vectori, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare decât (size - 1) se afișează un mesaj de eroare și se întoarce 0.
2. Se întoarce valoarea de la indexul index din vector.

Sortarea unei secvențe implementate cu vectori - Bubble Sort

Pentru sortarea unei secvențe se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia sorteaza crescator elementele din secventa list folosind algoritmul Bubble Sort. 
 * @param list lista care se doreste sortata.
 */
void arrayListBubbleSort(struct ArrayList * list);

Sortarea unei secvențe implementată cu vectori se face urmând următorul algoritm:

1. Se declară o variabilă done.
2. Se atribuie lui done valoarea 1.
3. Se iterează cu un contor i de la 0 la (size - 2)
4. Dacă elementul de pe poziția i din vector este mai mare decât elementul de pe poziția (i + 1), acestea se interschimbă și lui done i se atribuie valoarea 0.
5. După terminarea iterării peste vector, dacă done e 0, se sare la pasul 2 (se folosește o buclă do-while).

Căutarea într-o secvență sortată implementată cu vectori - Binary Search

Căutarea într-o secvență ordonată se poate realiza mai eficient decât iterând peste toate elementele cu o buclă în O(n), deoarece avem informații suplimentare legate de poziția cea mai probabilă a elementului căutat.

Algoritmul numit Binary Search, care face parte din clasa Divide-et-impera, funcționează căutând elementul la mijlocul intervalului în care se realizează căutare, și în funcție de rezultat întorcând poziția sau eliminând în întregime jumătate din interval.

Pentru căutarea unei valori value într-o secvență sortată implementată cu vectori, se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia cauta elementul value in secventa list sortata crescator. 
 *    Daca secventa nu este sortata, comportamentul nu este definit.
 * @param list lista in care se cauta.
 * @param value valoarea cautata in secventa.
 * @return indexul unde s-a găsit valoarea value sau -1 daca valoarea nu exista.
 */
int arrayListBinarySearch(struct ArrayList * list, short value);

Căutarea unei valori value într-o secvență sortată implementată cu vectori se face urmând următorul algoritm:

1. Se inițializează o variabilă start cu valoarea 0 și o varibilă end cu valoarea (size - 1).
2. Cât timp start este mai mic sau egal decât end se realizează următoarele operații:
3. Se declară o variabilă middle și i se atribuie valoarea (start + end ) / 2.
4. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este egal cu value, se întoarce valoarea middle.
5. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este mai mare decât value, end va lua valoarea middle - 1 altfel,
6. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este mai mic decât value, start va lua valoarea middle + 1.
7. Se sare la punctul 3.
8. Aici se ajunge dacă start devine mai mare decât end, în care situație se întoarce -1.

Atenție: Acest algoritm nu va întoarce întotdeauna prima apariție a elementului value din vector. De ce? Ce soluție propuneți pentru a rezolva această problemă?

Ștergerea unui ArrayList

Pentru ștergerea unui ArrayList se definește următoarea funcție.

/**
 * Functia dezalocă memoria folosită de lista specificată.
 * @param list lista care trebuie ștearsă.
 */
void deleteArrayList(struct ArrayList * list);

Ștergerea unui ArrayList se realizează în doi pași:

1. Se dezalocă memoria alocată pentru vector.
2. Se dezalocă memoria alocată pentru structura de tip struct ArrayList.

Implementarea secvenței cu liste simplu și dublu înlănțuite

În cazul implementării cu liste simplu și dublu înlănțuite, elementele sunt plasate în zone de memorie separate, numite noduri, iar fiecare nod conține pe lângă valoarea efectivă și adresa următorului nod (în cazul listelor simplu înlănțuite), sau adresa nodului următor și a nodului anterior (în cazul listelor dublu înlănțuite). Acest tip de structurare a secvențelor respectă în mod natural contractul stabilit de lista abstractă (dimensiune nelimitată, secvențierea elementelor, etc.). Prin urmare vom defini o structură numită LinkedList care va stoca adresa primului și ultimului nod, dar și numărul de elemente din secvență, pentru optimizarea operației de interogare a dimensiunii. Pentru a defini un nod, ne trebuie o a doua structură numită ListNode. Mai jos este un exemplu de listă simplu înlănțuită de valori în virgulă mobilă cu dublă precizie:

struct ListNode {
    double value;
    struct ListNode * next;
};

struct LinkedList {
    struct ListNode * firstNode;
    struct ListNode * lastNode;
    unsigned size;
};

Crearea unui LinkedList

Pentru crearea unei liste noi, se definește următoarea funcție (observați lipsa parametrului capacity):

/**
 * Functia aloca memorie si creeaza un nou LinkedList.
 * @return pointer la o structura de tip LinkedList. 
 */
struct LinkedList * createLinkedList();

Implementarea acestei funcții se face folosind următorul algoritm:

1. Se alocă memorie pentru o variabilă de tip struct LinkedList.
2. Se inițializează firstNode și lastNode cu valoarea NULL.
3. Se inițializează size cu 0.
4. Se întoarce adresa variabilei de tip struct LinkedList.

Interogarea dimensiunii

Pentru interogarea dimensiunii, se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia intoarce numarul de elemente valide din lista specificata.
 * @param list lista pentru care se cere dimensinea.
 * @return numarul de elemente valide din lista list.
 */
unsigned arrayListSize(struct LinkedList * list);

Implementarea acestei funcții se face întorcând direct valoarea câmpului size din structură.

Inserția

Pentru inserția unui element value pe o anumită poziție index se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia inseareaza elementul value pe pozitia index in lista.
 * @param list lista in care se face insertia.
 * @param index indexul pe care se va face insertia
 * @param value valoarea ce trebuie inserata
 */
void linkedListInsert(struct LinkedList * list, unsigned index, double value);

Inserția unui element value pe o anumită poziție index într-o secvență implementată cu liste înlănțuite, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare decat size, se afișează un mesaj de eroare și funcția se încheie.
2. Se alocă memorie pentru un nod newNode, unde câmpul newNode->next este NULL și newNode->value este value.
3. Dacă index este egal cu 0, newNode->next va deveni firstNode și firstNode va deveni newNode.
4. Dacă size nu este egal cu 0, se folosește un pointer temporar tmpNode cu care se avansează până la nodul de pe poziția index-1. Se inserează nodul newNode între tmpNode și tmpNode->next:
   • newNode->next devine tmpNode->next și tmpNode->next devine newNode.
5. Dacă index este egal cu size, lastNode devine newNode
6. size se incrementează cu 1.

Ștergerea

Pentru ștergerea unui element de pe o anumită poziție index se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia sterge elementul de pe pozitia index din lista. Se afiseaza un mesaj de eroare
 *  daca indexul este mai mare decat (size - 1).
 * @param list lista din care se face stergerea.
 * @param index indexul de la care se va face stergerea
 */
void linkedListDelete(struct LinkedList * list, unsigned index);

Ștergerea unui element de pe o anumită poziție index dintr-o secvență implementată cu liste, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare sau egal decât size, se afișează un mesaj de eroare și funcția se încheie.
2. Dacă size e 1, se eiberează memoria pentru firstNode, firstNode și lastNode devin NULL, size devine 0 și funcția se încheie.
3. Se definește un pointer temporar la un nod numit oldNode.
4. Dacă index este 0, oldNode devine firstNode și firstNode devine oldNode->next
5. Dacă index NU este 0, se folosește un pointer suplimentar numit tmpNode pentru a avansa în listă până pe poziția index - 1. oldNode devine tmpNode->next și tmpNode->next devine oldNode->next.
6. Dacă index este egal cu size - 1, lastNode devine tmpNode
7. Se eliberează memoria pentru oldNode
8. size se decrementează cu 1.

Căutarea

Pentru căutarea unui element value într-o secvență neordonată se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia cauta elementul value in lista si intoarce prima pozitie pe care apare.
 *  Se intoarce -1 daca valoarea nu exista in lista.
 * @param list lista in care se face cautarea.
 * @param value valoarea care se cauta.
 * @return indexul la care apare valoarea sau -1 daca nu exista in lista.
 */
int linkedListSearch(struct LinkedList * list, double value);

Căutarea unui element value într-o secvență neordonată implementată cu liste, se face urmând următorul algoritm:

1. Se folosește un pointer suplimentar tmpNode cu care se iterează peste elementele din listă până când acesta devine NULL.
2. Dacă elementul din nodul tmpNode din listă este egal cu value, se întoarce valoarea din nod.
3. Se întoarce valoarea -1.

Accesarea elementului de pe o anumită poziție

Pentru accesarea unui element de pe poziția index dintr-o secvență se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia intoarce elementul din lista de pe poziția index. Daca index este mai mare decat (size - 1) se afiseaza
 *   un mesaj de eroare (si se întoarce 0).
 * @param list lista in care se face accesul.
 * @param index pozitia de la care se doreste citirea elementului. 
 * @return valoarea de la pozitia index sau 0 daca index este mai mare sau egal decat size
 */
short linkedListGet(struct LinkedList * list, unsigned index);

Accesarea unui element de pe poziția index dintr-o secvență neordonată implementată cu liste, se face urmând următorul algoritm:

1. Dacă index este mai mare sau egal decât size se afișează un mesaj de eroare și se întoarce 0.
2. Se folosește un pointer la nod temporar numit tmpNode și folosind o buclă se avansează în listă până la poziția index.
3. Se întoarce valoarea din nodul tmpNode.

Sortarea unei secvențe implementate cu vectori - Bubble Sort

Pentru sortarea unei secvențe se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia sorteaza crescator elementele din secventa list folosind algoritmul Bubble Sort. 
 * @param list lista care se doreste sortata.
 */
void arrayListBubbleSort(struct ArrayList * list);

Sortarea unei secvențe implementată cu vectori se face urmând următorul algoritm:

1. Se declară o variabilă done.
2. Se atribuie lui done valoarea 1.
3. Se iterează cu un contor i de la 0 la (size - 2)
4. Dacă elementul de pe poziția i din vector este mai mare decât elementul de pe poziția (i + 1), acestea se interschimbă și lui done i se atribuie valoarea 0.
5. După terminarea iterării peste vector, dacă done e 0, se sare la pasul 2 (se folosește o buclă do-while).

Căutarea într-o secvență sortată implementată cu vectori - Binary Search

Căutarea într-o secvență ordonată se poate realiza mai eficient decât iterând peste toate elementele cu o buclă în O(n), deoarece avem informații suplimentare legate de poziția cea mai probabilă a elementului căutat.

Algoritmul numit Binary Search, care face parte din clasa Divide-et-impera, funcționează căutând elementul la mijlocul intervalului în care se realizează căutare, și în funcție de rezultat întorcând poziția sau eliminând în întregime jumătate din interval.

Pentru căutarea unei valori value într-o secvență sortată implementată cu vectori, se definește următoarea funcție:

/**
 * Functia cauta elementul value in secventa list sortata crescator. 
 *    Daca secventa nu este sortata, comportamentul nu este definit.
 * @param list lista in care se cauta.
 * @param value valoarea cautata in secventa.
 * @return indexul unde s-a găsit valoarea value sau -1 daca valoarea nu exista.
 */
int arrayListBinarySearch(struct ArrayList * list, short value);

Căutarea unei valori value într-o secvență sortată implementată cu vectori se face urmând următorul algoritm:

1. Se inițializează o variabilă start cu valoarea 0 și o varibilă end cu valoarea (size - 1).
2. Cât timp start este mai mic sau egal decât end se realizează următoarele operații:
3. Se declară o variabilă middle și i se atribuie valoarea (start + end ) / 2.
4. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este egal cu value, se întoarce valoarea middle.
5. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este mai mare decât value, end va lua valoarea middle - 1 altfel,
6. Dacă elementul din vector de pe poziția middle este mai mic decât value, start va lua valoarea middle + 1.
7. Se sare la punctul 3.
8. Aici se ajunge dacă start devine mai mare decât end, în care situație se întoarce -1.

Atenție: Acest algoritm nu va întoarce întotdeauna prima apariție a elementului value din vector. De ce? Ce soluție propuneți pentru a rezolva această problemă?

Ștergerea unui ArrayList

Pentru ștergerea unui ArrayList se definește următoarea funcție.

/**
 * Functia dezalocă memoria folosită de lista specificată.
 * @param list lista care trebuie ștearsă.
 */
void deleteArrayList(struct ArrayList * list);

Ștergerea unui ArrayList se realizează în doi pași:

1. Se dezalocă memoria alocată pentru vector.
2. Se dezalocă memoria alocată pentru structura de tip struct ArrayList.

Exerciții

1. Se dă următorul header file arrayList.h:

   #ifndef ARRAY_LIST_H
   #define ARRAY_LIST_H
   
   struct ArrayList {
       short * array;     // pointer la zona de memorie alocată
       unsigned capacity; // dimensiunea zonei alocate
       unsigned size;     // numarul de elemente valide din secventa
   };
   
   /**
    * Functia aloca memorie si creeaza un nou ArrayList cu o capacitate initiala.
    * @param initialCapacity capacitatea initiala a secventei.
    * @return pointer la o structura de tip ArrayList. 
    */
   struct ArrayList * createArrayList(unsigned initialCapacity);
   
   /**
    * Functia intoarce numarul de elemente valide din lista specificata.
    * @param list lista pentru care se cere dimensinea.
    * @return numarul de elemente valide din lista list.
    */
   unsigned arrayListSize(struct ArrayList * list);
   
   /**
    * Functia inseareaza elementul value pe pozitia index in vector. Daca capacitatea este insuficienta
    *  se face realocare. Se afiseaza un mesaj de eroare daca indexul este mai mare decat size.
    * @param list lista in care se face insertia.
    * @param index indexul pe care se va face insertia
    * @param value valoarea ce trebuie inserata
    */
   void arrayListInsert(struct ArrayList * list, unsigned index, short value);
   
   /**
    * Functia sterge elementul pe pozitia index in vector. Se afiseaza un mesaj de eroare
    *  daca indexul este mai mare decat (size - 1).
    * @param list lista din care se face stergerea.
    * @param index indexul de la care se va face stergerea
    */
   void arrayListDelete(struct ArrayList * list, unsigned index);
   
   /**
    * Functia cauta elementul value in vector si intoarce prima pozitie pe care apare.
    *  Se intoarce -1 daca valoarea nu exista in vector.
    * @param list lista in care se face cautarea.
    * @param value valoarea care se cauta.
    * @return indexul la care apare valoarea sau -1 daca nu exista in vector.
    */
   int arrayListSearch(struct ArrayList * list, short value);
   
   /**
    * Functia intoarce elementul din vector de pe poziția index. Daca index este mai mare decat (size - 1) se afiseaza
    *   un mesaj de eroare (si se întoarce 0).
    * @param list lista in care se face accesul.
    * @param index pozitia de la care se doreste citirea elementului. 
    * @return valoarea de la pozitia index sau 0 daca index este mai mare decat (size - 1)
    */
   short arrayListGet(struct ArrayList * list, unsigned index);
   
   /**
    * Functia sorteaza crescator elementele din secventa list folosind algoritmul Bubble Sort. 
    * @param list lista care se doreste sortata.
    */
   void arrayListBubbleSort(struct ArrayList * list);
   
   /**
    * Functia cauta elementul value in secventa list sortata crescator. 
    *    Daca secventa nu este sortata, comportamentul nu este definit.
    * @param list lista in care se cauta.
    * @param value valoarea cautata in secventa.
    * @return indexul unde s-a găsit valoarea value sau -1 daca valoarea nu exista.
    */
   int arrayListBinarySearch(struct ArrayList * list, short value);
   
   /**
    * Functia dezalocă memoria folosită de lista specificată.
    * @param list lista care trebuie ștearsă.
    */
   void deleteArrayList(struct ArrayList * list);
   
   #endif
   

   Implementați într-un fișier sursă C funcțiile definite în header.

2. Folosind structura și funcțiile definite în header, scrieți un program simplu care să efectueze următoarele operații:
   • definiți un ArrayList de capacitatea initiala 3.
   • adăugați 7 elemente: 6, 10, 0, -5, 4, 16, 20 (utilizați arrayListInsert cu indexul 0 de fiecare dată).
   • căutați valoarea 4 și afișați indexul pe care apare.
   • inserați valoarea 9 la indexul 5.
   • afișați valoarea de la indexul 5.
   • sortați vectorul.
   • căutați valoarea 16 și afișați indexul la care apare.
   • afișați conținutul secvenței.
   • ștergeți secvența.