Семинарское занятие № 4 тема: программирование задач с использованием массива записи

Цель работы: Изучение методов работы с массивом записи.

План работы: Разработать алгоритм обработки массива записи.

Теоретический материал:

По своей сути структура - это как бы одномерный массив, который мы запихиваем в одну переменную. Но в него могут входить данные разных типов.

С одной строны мы можем просто объявить эти три переменные с необходимым нам типом и использовать их каждую в отдельность по необходимости:

Dim Name As String

Dim Kolichestvo As Long

Dim Cost As Single

Но мы также можем объединить эти три переменные в единую структуру, создав тип данных, например, под названием Price. Однако, поскольку, инструкция Type предназначена для использования во всем проекте, то и пользовательский тип данных должен создаваться в стандартном модуле:

Type Price

Name As String

Kolichestvo As Long

Cost As Single

End Type

Пример. Создать программное приложение с использованием массива записей, который будет содержать следующие сведения о студентах: фамилия, имя, отчество, дата рождения, курс обучения, специальность, место проживания родителей. В программе должны выполняться операции по добавлению, удалению, обновлению сведений о студенте, поиску по специальности, курсу обучения и месту проживания родителей.

Сначала создадим форму для работы с записями массива.

И разработаем алгоритм для обработки событий на кнопки.

Для этого сначала добавим в проект модуль для объявления массива записей о студентах и других глобальных переменных: Add - > Module - >New - > Открыть.

Далее в листе программного кода Form1 осуществим обработку событий на кнопки. При этом при добавлении новой записи нужно осуществить проверку на корректность вводимых значений.

Далее в проект для осуществления общего просмотра и выбора записей добавим еще одну форму: Project - > Add Form - > Form - > Открыть.

На загрузку формы разработаем следующий код.

Задание. Разработать алгоритм фильтрации записей по заданному критерию отбора.

Семинарское занятие № 5 тема: организация стека. Рекурсивные алгоритмы

Цель работы: Изучение методов работы со стеком.

План работы: Разработать рекурсивный алгоритм.

Теоретический материал:

Стек — динамическая структура данных, представляющая из себя упорядоченный набор элементов, в которой добавление новых элементов и удаление существующих производится с одного конца, называемого вершиной стека.

Стек — самая популярная и, пожалуй, самая важная структура данных в программировании. Стек представляет собой запоминающее устройство, из которого элементы извлекаются в порядке, обратном их добавлению. Это как бы неправильная очередь, в которой первым обслуживают того, кто встал в нее последним. В программистской литературе общепринятыми являются аббревиатуры, обозначающие дисциплину работы очереди и стека. Дисциплина работы очереди обозначается FIFO, что означает первым пришел — первым уйдешь (First In First Out). Дисциплина работы стека обозначается LIFO, последним пришел — первым уйдешь (Last In First Out).

Стек можно представить в виде трубки с подпружиненым дном, расположеной вертикально. Верхний конец трубки открыт, в него можно добавлять, или, как говорят, заталкивать элементы. Общепринятые английские термины в этом плане очень красочны, операция добавления элемента в стек обозначается push, в переводе "затолкнуть, запихнуть". Новый добавляемый элемент проталкивает элементы, помещеные в стек ранее, на одну позицию вниз. При извлечении элементов из стека они как бы выталкиваются вверх, по-английски pop ("выстреливают").

Примером стека может служить стог сена, стопка бумаг на столе, стопка тарелок и т.п. Отсюда произошло название стека, что по-английски означает стопка. Тарелки снимаются со стопки в порядке, обратном их добавлению. Доступна только верхняя тарелка, т.е. тарелка на вершине стека. Хорошим примером будет также служить железнодорожный тупик, в который можно составлять вагоны.

Использование стека в программировании

Стек применяется довольно часто, причем в самых разных ситуациях. Объединяет их следующая цель: нужно сохранить некоторую работу, которая еще не выполнена до конца, при необходимости переключения на другую задачу. Стек используется для временного сохранения состояния не выполненного до конца задания. После сохранения состояния компьютер переключается на другую задачу. По окончании ее выполнения состояние отложенного задания восстанавливается из стека, и компьютер продолжает прерванную работу.

Почему именно стек используется для сохранения состояния прерванного задания? Предположим, что компьютер выполняет задачу A. В процессе ее выполнения возникает необходимость выполнить задачу B. Состояние задачи A запоминается, и компьютер переходит к выполнению задачи B. Но ведь и при выполнении задачи B компьютер может переключиться на другую задачу C, и нужно будет сохранить состояние задачи B, прежде чем перейти к C. Позже, по окончании C будет сперва восстановлено состояние задачи B, затем, по окончании B, — состояние задачи A. Таким образом, восстановление происходит в порядке, обратном сохранению, что соответствует дисциплине работы стека.

Стек позволяет организовать рекурсию, т.е. обращение подпрограммы к самой себе либо непосредственно, либо через цепочку других вызовов. Пусть, например, подпрограмма A выполняет алгоритм, зависящий от входного параметра X и, возможно, от состояния глобальных данных. Для самых простых значений X алгоритм реализуется непосредственно. В случае более сложных значений X алгоритм реализуется как сведение к применению того же алгоритма для более простых значений X. При этом подпрограмма A обращается сама к себе, передавая в качестве параметра более простое значение X. При таком обращении предыдущее значение параметра X, а также все локальные переменные подпрограммы A сохраняются в стеке. Далее создается новый набор локальных переменных и переменная, содержащая новое (более простое) значение параметра X. Вызванная подпрограмма A работает с новым набором переменных, не разрушая предыдущего набора. По окончании вызова старый набор локальных переменных и старое состояние входного параметра X восстанавливаются из стека, и подпрограмма продолжает работу с того места, где она была прервана.

На самом деле даже не приходится специальным образом сохранять значения локальных переменных подпрограммы в стеке. Дело в том, что локальные переменные подпрограммы (т.е. ее внутренние, рабочие переменные, которые создаются в начале ее выполнения и уничтожаются в конце) размещаются в стеке, реализованном аппаратно на базе обычной оперативной памяти. В самом начале работы подпрограмма захватывает место в стеке под свои локальные переменные, этот участок памяти в аппаратном стеке называют обычно блок локальных переменных или по-английски frame ( "кадр "). В момент окончания работы подпрограмма освобождает память, удаляя из стека блок своих локальных переменных.

Кроме локальных переменных, в аппаратном стеке сохраняются адреса возврата при вызовах подпрограмм. Пусть в некоторой точке программы A вызывается подпрограмма B. Перед вызовом подпрограммы B адрес инструкции, следующей за инструкцией вызова B, сохраняется в стеке. Это так называемый адрес возврата в программу A. По окончании работы подпрограмма B извлекает из стека адрес возврата в программу A и возвращает управление по этому адресу. Таким образом, компьютер продолжает выполнение программы A, начиная с инструкции, следующей за инструкцией вызова. В большинстве процессоров имеются специальные команды, поддерживающие вызов подпрограммы с предварительным помещением адреса возврата в стек и возврат из подпрограммы по адресу, извлекаемому из стека. Обычно команда вызова назывется call, команда возврата — return.

В стек помещаются также параметры подпрограммы или функции перед ее вызовом. Порядок их помещения в стек зависит от соглашений, принятых в языках высокого уровня. Так, в языке Си или C++ на вершине стека лежит первый аргумент функции, под ним второй и так далее. В Паскале все наоборот, на вершине стека лежит последний аргумент функции. (Поэтому, кстати, в Си возможны функции с переменным числом аргументов, такие, как printf, а в Паскале нет.)

Реализация стека на базе массива

Реализация стека на базе массива является классикой программирования. Иногда даже само понятие стека не вполне корректно отождествляется с этой реализацией.

Базой реализации является массив размера N, таким образом, реализуется стек ограниченного размера, максимальная глубина которого не может превышать N. Индексы ячеек массива изменяются от 0 до N - 1. Элементы стека хранятся в массиве следующим образом: элемент на дне стека располагается в начале массива, т.е. в ячейке с индексом 0. Элемент, расположенный над самым нижним элементом стека, хранится в ячейке с индексом 1, и так далее. Вершина стека хранится где-то в середине массива. Индекс элемента на вершине стека хранится в специальной переменной, которую обычно называют указателем стека (по-английски Stack Pointer или просто SP).

Когда стек пуст, указатель стека содержит значение минус единица. При добавлении элемента указатель стека сначала увеличивается на единицу, затем в ячейку массива с индексом, содержащимся в указателе стека, записывается добавляемый элемент. При извлечении элемента из стека сперва содержимое ячейки массива с индексом, содержащимся в указателе стека, запоминается во временной переменной в качестве результата операции, затем указатель стека уменьшается на единицу.

В приведенной реализации стек растет в сторону увеличения индексов ячеек массива. Часто используется другой вариант реализации стека на базе вектора, когда дно стека помещается в последнюю ячейку массива, т.е. в ячейку с индексом N - 1. Элементы стека занимают непрерывный отрезок массива, начиная с ячейки, индекс которой хранится в указателе стека, и заканчивая последней ячейкой массива. В этом варианте стек растет в сторону уменьшения индексов. Если стек пуст, то указатель стека содержит значение N (которое на единицу больше, чем индекс последней ячейки массива).

Пример. Написать программу, которая вычисляет как целое число значение выражений (без переменных), записанных (без ошибок) в постфиксной форме в текстовом файле. Каждая строка файла содержит ровно одно выражение.

Алгоритм решения. Выражение просматривается слева направо. Если встречается число, то его значение (как целое) заносится в стек, а если встречается знак операции, то из стека извлекаются два последних элемента (это операнды данной операции), над ними выполняется операция и ее результат записывается в стек. В конце в стеке остается только одно число — значение всего выражения.

 

{ Turbo Pascal, файл ST2.PAS } Program St2; Uses Spisok, Stack; Const Znak = ['+', '-', '*', '/']; Var S, S1 : String; T : Text; I, N : Byte; X, Y : BT; Code : Integer; NS : U; Begin Write('Введите имя файла: '); ReadLn(S1); Assign(T, S1); ReSet(T); NS := Nil; While Not Eof(T) Do Begin ReadLn(T, S); I := 1; While I <= Length(S) Do Begin If S[I] In ['0'..'9'] Then Begin N := I; While S[I] In ['0'..'9'] Do I := I + 1; Val(Copy(S, N, I - N), X, Code); V_Stack(NS, X); End Else If S[I] In Znak Then Begin Iz_Stack(NS, X); Iz_Stack(NS, Y); Case S[I] Of '+' : X := X + Y; '-' : X := Y - X; '*' : X := X * Y; '/' : X := Y Div X End; V_Stack(NS, X) End; I := I + 1 End; Iz_Stack(NS, X); WriteLn(S, ' = ', X); End End.

/* C++, файл ST2.CPP */ #include "STACK.CPP" #include < string.h > #include < stdio.h > void main(void) { char S[255]; FILE *T; int I; BT X, Y; Zveno *NS; clrscr(); cout << "Введите имя файла: "; cin >> S; T=fopen(S, "r"); NS = NULL; while (!feof(T)) { fgets(S, 255, T); I = 0; while (I <= strlen(S)-1) { if (S[I]>='0'&&S[I]<='9') { X=0; while(S[I]>='0'&&S[I]<='9') {X=X*10+(S[I]-'0'); I++;} NS=V_Stack(NS, X); } else if (S[I]=='+'||S[I]=='-'||S[I]=='/'||S[I]=='*') { X=V_Vershine(NS); NS=Iz_Stack(NS); Y=V_Vershine(NS); NS=Iz_Stack(NS); switch (S[I]) { case '+' : X += Y; break; case '-' : X = Y - X; break; case '*' : X *= Y; break; case '/' : X = Y / X; break;} NS=V_Stack(NS, X); } I++; } X=V_Vershine(NS); NS=Iz_Stack(NS); cout << S << " => " << X << "\n";} }