Uma Introdução.

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1 Uma Introdução

2 Sobre o que é que vamos falar?
Primeira parte (expositiva): Programação baseada em genéricos (templates) Apresentação da STL Colecções simples: “vector”, “list”, “deque”, “stack” Colecções associativas: “map” e “multimap” Colecções associativas múltiplas: “set” e “multiset” Brevemente: Extensões: “hash_set” e “hash_map” Brevemente: Algoritmos da STL Segunda parte (prática): Alguns exercícios Caso de estudo

3 Qual é o problema da seguinte rotina?
// Rotina que troca o valor de duas variáveis void swap(int& a, int& b) { int tmp = a; a = b; b = tmp; } Apenas funciona para inteiros. Se necessitarmos de trocar quaisquer outros tipos de dados, temos de definir várias versões da mesma rotina... void swap(double& a, double& b) void swap(unsigned&a, unsigned& b) void swap(string&a, string& b) ...

4 Programação utilizando genéricos (templates)
Permite criar uma família de funções, parametrizadas por um tipo de dados abstracto. Meta-programação Existe há anos em C++: a STL é baseada neles Adição recente em Java (J2SE 5.0) e .NET (2.0) Semântica de programação potencialmente complicada (... e também de implementação das linguagens!) // Rotina que troca o valor de duas variáveis quaisquer template<class T> void myswap(T& a, T& b) { T tmp = a; a = b; b = tmp; } int a = 10; int b = 20; myswap<int>(a, b);

5 Problemática das tabelas de tamanho fixo
Uma grande parte das linguagens actuais fornece ao programador tabelas de tamanho fixo (e.g. C, C++, Java, .NET) Uma vez criadas, o seu tamanho não pode ser redefinido No entanto, em muitas circunstâncias, o programador não sabe quantos elementos é que a sua tabela terá de armazenar! // Número máximo de pessoas const unsigned MAX_SIZE = 10; // Tabela onde armazenar a altura das pessoas double heights[MAX_SIZE]; unsigned totalPeople = 0; // Armazena sucessivamente pessoas double height; while (cin >> height) heights[totalPeople++] = height; Ao chegarmos à décima primeira pessoa... BANG!

6 Tabela Dinâmica Genérica
A solução passa por criar uma classe “Tabela Dinâmica”, genérica, capaz de armazenar qualquer tipo de dados int main() { // Tabela dinâmica para armazenar alturas DynamicArray<double> heights; // Lê a altura das pessoas double altura; while (cin >> altura) heights.push_back(altura); // Calcula e mostra a média das alturas double averageHeight = 0.0; for (unsigned i=0; i<heights.size(); i++) averageHeight+= heights[i]; averageHeight/= heights.size(); cout << averageHeight << endl; return 0; }

7 O resultado da execução...

8 Interface de DynamicArray
template<class T> class DynamicArray { private: const static int _DEFAULT_CAPACITY = 1; unsigned int _size; unsigned int _capacity; T* _myArray; public: DynamicArray(unsigned int size = 0); virtual ~DynamicArray(void); void push_back(T& element); unsigned int size() const; T& operator[](unsigned int index) const; };

9 Construtor, Destrutor e size() de DynamicArray
// Construtor, leva como parâmetro o tamanho inicial da tabela template<class T> DynamicArray<T>::DynamicArray(unsigned int size) : _size(size), _capacity(_DEFAULT_CAPACITY) { if (_size > 0) _capacity = _size; _myArray = new T[_capacity]; } // Destructor DynamicArray<T>::~DynamicArray(void) delete[] _myArray; // Retorna o número de elementos na tabela unsigned int DynamicArray<T>::size() const return _size;

10 Principais operações: push_back() e acesso []
// Acrescenta um elemento à tabela, fazendo uma cópia do mesmo template<class T> void DynamicArray<T>::push_back(T& element) { if (_size == _capacity) _capacity = _capacity * 2; T* newArray = new T[_capacity]; for (unsigned i=0; i<_size; i++) newArray[i] = _myArray[i]; delete[] _myArray; _myArray = newArray; } _myArray[_size] = element; _size++; // Retorna uma referência para um elemento da tabela template<class T> T& DynamicArray<T>::operator[](unsigned int index) const return _myArray[index];

11 Aviso... A forma como os compiladores utilizam templates varia radicalmente: é compiler specific: consultar a documentação Uma possível abordagem relativamente segura e genérica: Incluir o ficheiro .h (i.e. “dynamic_array.h”) Dependentemente do tipo de compilador, definir a macro TEMPLATE_INCLUSIVE_MODEL na Makefile (ou projecto) Dependentemente do compilador, incluir na compilação a implementação do template .cpp (i.e. “dynamic_array.cpp”) dynamic_array.h #ifndef _DYNAMIC_ARRAY_H_ #define _DYNAMIC_ARRAY_H_ template<class T> class DynamicArray { ... }; #ifdef TEMPLATE_INCLUSIVE_MODEL #include "dynamic_array.cpp" #endif dynamic_array.cpp #include "dynamic_array.h" ... my_program.cpp #include "dynamic_array.h" ...

12 STL STL = Standard Template Library
Biblioteca contendo algoritmos e estruturas de dados genéricas para uso em C++ Baseada nas ideias sobre “programação genérica” de Alexander Stepanov. Enquanto trabalhava nos Bell Labs e mais tarde na HP, implementou o core de uma biblioteca de programação genérica em C++ (1993) É convidado a apresentar as suas ideias sobre programação genérica ao comité de ANSI/ISO do C++. A resposta é entusiástica. Em 1994 a sua proposta para inclusão da biblioteca no standard do C++ é aprovada. (1994) A HP publica livremente na internet a implementação da STL. Esta implementação, mais tarde modificada pela SGI, constitui a base na maior parte das implementações actualmente disponíveis.

13 HP / SGI Microsoft’s Visual Studio <vector>
GNU’s G++ <vector.tcc>

14 STL – Modelo Plug-and-Play
A nossa área de foco Container Classes Generic Algorithms Function Objects Iterators Vector sort less insert erase list find equal insert erase istream istream_ iterator merge greater ostream ostream_ iterator

15 Componentes Containers Algoritmos Genéricos Iteradores
Armazenam colecções de objectos Algoritmos Genéricos Realizam operações sobre containers Iteradores Permitem percorrer um determinado container Function Objects Realizam cálculos ou combinam dados Adaptadores Modificam a interface de um componente (e.g. Stack, PriorityQueue) Allocators Permitem ao programador controlar explicitamente o uso de memória [perigoso mas poderoso!]

16 Colecções Lineares vector<T>: Corresponde a uma tabela dinâmica, aumentando automaticamente de tamanho sempre que é necessário. Acesso aleatório aos seus elementos muito rápido: O(1) Inserir e apagar elementos do final é eficiente. Tipicamente O(1) Relativamente lento a eliminar elementos do início e do meio. deque<T>: Semelhante a vector<T> mas permite inserir e apagar elementos de forma muito eficiente do início e fim: O(1). list<T>: Corresponde a uma lista duplamente ligada. Inserir/apagar elementos é rápido desde que se esteja no local correcto: O(1). Mas, tal como o acesso, em geral, é O(n). Não suporta acesso aleatórios aos elementos. No entanto também não desperdiça espaço.

17 Exemplo utilizando vector<T>
#include <vector> using namespace std; void ex_vector() { // Tabela dinâmica para armazenar alturas vector<double> heights; // Lê a altura das pessoas double altura; while (cin >> altura) heights.push_back(altura); // Calcula e mostra a média das alturas double averageHeight = 0.0; for (unsigned i=0; i<heights.size(); i++) averageHeight+= heights[i]; averageHeight/= heights.size(); cout << averageHeight << endl; }

18 Iteradores Um iterador permite percorrer uma colecção seguindo uma determinada ordem Um iterador é uma inner class de cada colecção particular, tendo por nome “iterator”. Para declarar um é necessário utilizar o operador de abrangência :: vector<int>::iterator it = ... Para avançar/recuar um iterador utilizam-se os operadores ++ e -- it++ avança o iterador para o próximo elemento, it-- recua-o É ainda possível avançar mais do que um elemento: it+= 2 Para aceder ao elemento apontado utiliza-se o operador * *it retorna o valor actualmente apontado begin() retorna um iterador para o início de uma colecção end() retorna um iterador para além do final da colecção (sentinela)

19 Exemplo utilizando iteradores
#include <vector> #include <string> #include <iostream> using namespace std; void ex_iterator() { // Tabela para armazenar palavras vector<string> words; // Lê as palavras do stdin para o vector string word; while (cin >> word) words.push_back(word); // Imprime as palavras lidas vector<string>::iterator it = words.begin(); while (it != words.end()) cout << *it << endl; ++it; }

20 Exemplo utilizando iteradores reversos
void ex_reverse_iterator() { // Tabela para armazenar palavras vector<string> words; // (...) // Imprime as palavras pela ordem inserida cout << "Palavras pela ordem de insercao:" << endl; vector<string>::iterator it = words.begin(); for (; it != words.end(); it++) cout << "\t" << *it << endl; // Imprime as palavras pela ordem inversa cout << endl << "Palavras pela ordem inversa:" << endl; vector<string>::reverse_iterator rit = words.rbegin(); for (; rit != words.rend(); rit++) cout << "\t" << *rit << endl; }

21 Resultado da execução...

22 Alguns métodos importantes de vector<T>
vector() Construtor por omissão: o vector fica vazio vector(size_type n) Construtor que cria um vector com n objectos, com o seu valor por omissão (uso do construtor default) size_type size() const Retorna o número de elementos no vector size_type capacity() const Retorna a capacidade actual do vector bool empty() const Retorna se o vector está vazio T& operator[](size_type n) Retorna uma referência para o elemento n T& front() Retorna referência para o primeiro elemento T& back() Retorna referência para o último elemento

23 Alguns métodos importantes de vector<T> (2)
void push_back(const T&) Adiciona um elemento ao final do vector void pop_back() Remove o último elemento void clear() Apaga todos os elementos do vector vector<T>::iterator begin() Retorna um iterador para o início do vector vector<T>::iterator end() Retorna um iterador para um elemento após o final do vector (sentinela) vector<T>::reverse_iterator rbegin() Retorna um iterador reverso que começa no último elemento do vector vector<T>::reverse_iterator rend() Retorna um iterador reverso que aponta para antes do início do vector void insert(iterator pos, const T& x) Insere um elemento antes de uma posição apontada por um iterador iterator erase(iterator pos) Apaga um elemento apontado por um iterador Nota: Para todos os métodos que retornam elementos ou iteradores, existem versões que retornam os correspondentes constantes. E.g. const T& vector<T>::front() const

24 Outros aspectos... Os vectores armazenam cópias dos elementos, não referências Muitas vezes, é mais sensato armazenar referências (ponteiros) para os objectos do que armazenar os objectos em si. Semântica do Java e .NET Importante se os objectos necessitam de ser utilizados em diversos locais! Sempre que o vector aumenta de tamanho, é invocado o construtor por omissão para todos os elementos da nova tabela interna; todos os elementos são copiados; é invocado o destrutor de cada um dos objectos antigos  PESADO! Se à priori se souber que vão ocorrer um certo número de inserções, é sensato reservar o espaço.

25 deque<T> Semelhante a vector<T> mas permite inserir e apagar elementos de forma muito eficiente do início e do final da colecção. Óptimo para implementar sistemas tipo produtor/consumidor void deque<T>::push_front(const T& x) Adiciona um elemento ao início void deque<T>::push_back(const T& x) Adiciona um elemento ao final T& deque<T>::front() Obtem o primeiro elemento T& deque<T>::back() Obtem o último elemento void deque<T>::pop_front() Remove o primeiro elemento void deque<T>::pop_back() Remove o último elemento

26 Exemplo deque<T>
// Simula uma repartição pública (processamento por ordem) class Reparticao { private: deque<string> _pedidos; public: // Adiciona um pedido ao fim da lista de trabalho a processar void adicionaPedido(const string& pedido) { _pedidos.push_back(pedido); } // Caso existam pedidos, retorna o primeiro que deu entrada bool retiraPedido(string& pedido) { if (_pedidos.empty()) return false; pedido = _pedidos.front(); _pedidos.pop_front(); return true; };

27 Exemplo deque<T> (2)
void ex_deque() { Reparticao financas; financas.adicionaPedido("Impostos_1"); financas.adicionaPedido("Impostos_2"); financas.adicionaPedido("Impostos_3"); string pedido; while (financas.retiraPedido(pedido)) cout << "PEDIDO: " << pedido << endl; }

28 list<T> Implementa uma lista duplamente ligada
Suporta iteradores para a frente e para trás Ao contrário de vector<T> e deque<T>, não suporta acesso aleatório (operador []), apenas acesso via iteradores. Tirando isso, o interface é semelhante a deque<T>: push_front(), push_back(), pop_front(), pop_back(), e iteradores. Inserir um elemento não invalida os iteradores existentes

29 Exemplo de list<T> (algo “retorcido”...)
#include <list> #include <iostream> using namespace std; void ex_list() { // Cria uma lista para conter os números de Fibonacci list<int> fibonacci; fibonacci.push_back(1); // Dada novo número é a soma de ambos os anteriores! list<int>::iterator current = fibonacci.begin(); for (int i=0; i<10; i++) { int newValue = *current++; newValue+= *current; fibonacci.push_back(newValue); } // Imprime a lista resultante current = fibonacci.begin(); while (current != fibonacci.end()) cout << *current++ << endl;

30 Resultado da execução...

31 Que estrutura utilizar?
Condições vector - Acesso aleatório aos elementos - Baixa necessidade de eliminar elementos do início/meio, ou caso esta exista, apenas em colecções “pequenas” - Estrutura base de armazenamento para apoio a outras deque - Condições de vector mas em que é necessário introduzir e eliminar eficientemente elementos no início e fim da colecção list - Elevada necessidade de eliminar elementos do início ou meio da colecção, especialmente em colecções “grandes” - Baixa necessidade de utilização de elementos intermédios - Colecções “grandes” em que é necessário armazenar efectivamente os elementos (não referências). Caso se necessite armazenar referências, considerar seriamente o uso de vector

32 Colecções Associativas – Motivação I
Suponhamos que necessitamos de armazenar pessoas em memória. Essas pessoas serão pesquisadas por Bilhete de Identidade. A pesquisa de cada pessoa demora 50us JOANA FRANCISCA R. Fernão Lop Qual é o problema se quisermos encontrar a pessoa com o BI Nº ? Esquecendo as caches, se usarmos uma estrutura linear (e.g. vector) Tempo de acesso a uma pessoa = 50us Em média temos de percorrer ½ tabela = entradas 50000 entradas X 50us = us = 2.5s!!!

33 Colecções Associativas – Motivação I (2)
Se as pessoas forem armazenadas numa árvore binária equilibrada... log2( )  16 Tempo de acesso a uma pessoa = 50us Em média temos de percorrer ½ árvore = 16/2 entradas = 8 entradas 8 entradas X 50us = 400us = s!!!

34 Colecções Associativas – Motivação II
É muito simpático poder escrever... #include <iostream> #include <string> #include <map> using namespace std; void ex_map() { map<int,string> baseDeDados; baseDeDados[ ] = "Carlos Manuel"; baseDeDados[ ] = "Joaquim Antonio"; baseDeDados[ ] = "Silvino Costa"; int numeroBI; while (cin >> numeroBI) { if (baseDeDados.count(numeroBI) == 0) cout << "Pessoa nao encontrada" << endl; else cout << “Nome da pessoa: " << baseDeDados[numeroBI] << endl; }

35 Colecções Associativas
map<TKey,TValue> e multimap<TKey,TValue>: Corresponde a uma árvore binária equilibrada (tipicamente, uma árvore red-black), permitindo armazenar elementos que são pesquisáveis por uma chave. Acesso aos seus elementos muito eficiente O(logN) Os elementos são mantidos ordenados por chave multimap permite manter vários elementos por chave set<T> e multiset<T>: Permite armazenar um conjunto elementos em que o seus próprios valores constituem as chaves de procura. Ou seja... permite verificar se um elemento se encontra presente ou não multiset permite armazenar vários elementos idênticos hash_map<TKey, TValue> e hash_set<T>: Semelhantes aos acima mencionados mas baseados em tabelas de dispersão (hashtables) Inserir, apagar e pesquisar elementos é muito rápido: O(1) Os elementos não são mantidos ordenados Infelizmente, (ainda) não faz parte do ANSI/ISO standard

36 Utilização de map<TKey,TValue>
map<TKey,TValue> tabelaAssociativa; Chave de pesquisa Objecto a guardar tabelaAssociativa.count(key) conta o número de ocorrências do objecto identificado por key na colecção tabelaAssociativa[key] = obj; coloca na tabela associativa o objecto obj identificando-o por key obj = tabelaAssociativa[key]; retira da tabela associativa o objecto representado por key Se o objecto não existir na tabela, é automaticamente colocado na tabela um novo objecto com essa chave, sendo utilizado o construtor por omissão de TValue!

37 Acesso aos elementos... Duas pesquisas na árvore!
(...) if (baseDeDados.count(numeroBI) == 0) cout << "Pessoa não encontrada." << endl; else cout << "Pessoa: " << baseDeDados[numeroBI] << endl; (...) map<int,string>::iterator result = baseDeDados.find(numeroBI); if (result == baseDeDados.end()) cout << "Pessoa não encontrada." << endl; else cout << "O nome da pessoa é: " << result->second << endl; Uma única pesquisa na árvore!

38 A operação map<TKey,TValue>::find()
O método find retorna um iterador que refere uma estrutura pair<TKey,TValue> O primeiro elemento do pair é a chave do objecto O segundo elemento é o valor do objecto Um pair é algo semelhante a: template <class T, class Q> struct pair { T first; Q second; }

39 Uso de typedefs É vulgar utilizarem-se typedef’s para simplificar o código // Definição da Base-de-dados map<int,string> baseDeDados; typedef pair<int,string> pessoa; typedef map<int,string>::iterator bd_iterator; // Coloca pessoas na BD // (...) // Localiza a pessoa com o BI bd_iterator it = baseDeDados.find( ); if (it != baseDeDados.end()) { pessoa bi_nome = *it++; cout << "BI: " << bi_nome.first << endl; cout << "Nome: " << bi_nome.second << endl; }

40 Uso de typedefs (2) Vejamos o conteúdo da base-de-dados...
#include <iostream> #include <string> #include <map> using namespace std; typedef map<int,string> BaseDeDados; typedef pair<int,string> pessoa; typedef map<int,string>::iterator BD_iterator; void ex_map3() { BaseDeDados bd; bd[10324] = "Joana Sampaio"; bd[34434] = "Patricio Domingues"; bd[12667] = "Bruno Cabral"; bd[76768] = "Catarina Reis"; BD_iterator it = bd.begin(); while (it != bd.end()) { pessoa bi_nome = *it++; cout << "BI: " << bi_nome.first << endl; cout << "Nome: " << bi_nome.second << endl << endl; }

41 Resultado da execução... Note-se que os elementos são
mantidos ordenados no map!

42 Alguns aspectos importantes de map<TKey,TValue>
Os elementos são mantidos ordenados no map Tal é intrínseco à árvore red-black associada. A classe TKey tem de suportar a noção de ordem (i.e. o operador “<“ tem de ser válido – definido!) Caso se coloque na tabela um elemento que já esteja na mesma (i.e. que tenha a mesma chave), o que lá se encontra é substituído A classe multimap permite armazenar vários elementos para a mesma chave Os iteradores de map apontam sempre para tipos pair<TKey,TValue>

43 Alguns métodos importantes de map<TKey,TValue>
map() Construtor por omissão: o map fica vazio map<TKey,TValue>::iterator begin() Retorna um iterador para o primeiro elemento map<TKey,TValue>::iterator end() Retorna um iterador para além do último elemento size_type size() const Retorna o número de elementos no map bool empty() const Retorna se a tabela está vazia map<TKey,TValue>::iterator find(const TKey& key) Encontra o elemento de chave key size_type erase(const TKey& key) Elimina o elemento de chave key size_type erase(map<TKey,TValue>::iterator it) Elimina o elemento apontado por it size_type count(const TKey& key) Conta o número de elementos presentes com a chave key TValue& operator[](const Tkey& key) Retorna uma referência para o elemento de chave key; caso necessário, acrescentando um novo à tabela

44 mutimap<TKey,TValue>
Bastante semelhante a map mas permite ter vários valores para a mesma chave. typedef multimap<string,int> AgendaTelefonica; typedef multimap<string,int>::iterator agenda_iterator; typedef pair<string,int> entrada_agenda; void ex_multimap() { AgendaTelefonica telefones; telefones.insert(entrada_agenda("Paulo Marques", )); telefones.insert(entrada_agenda("Paulo Marques", )); telefones.insert(entrada_agenda("Rita Queiroz", )); telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral", )); telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral", )); string pessoa("Paulo Marques"); cout << pessoa << ":" << endl; agenda_iterator it = telefones.find(pessoa); for (unsigned i=0; i<telefones.count(pessoa); i++, it++) { cout << "\t" << it->second << endl; }

45 Notas sobre mutimap<TKey,TValue>
Os elementos têm de ser inseridos usando insert(), com um pair<TKey,TValue>. Não existe operador de acesso []. find() retorna um iterador para o primeiro elemento encontrado O iterador não é para percorrer todos os elementos correspondentes à pesquisa. É apenas uma referência para o primeiro. Dado que multimap está garantidamente ordenado, os seguintes podem ser acedidos avançando o iterador até um número de vezes igual a count() Tal como em map, o iterador refere-se a uma estrutura pair. O primeiro elemento contém a chave, o segundo o valor

46 set<T> Semelhante a map mas os elementos são a própria chave.
A principal utilidade é testar de um elemento se encontra presente ou não; secundariamente, armazenar elementos (se bem que vector ou list poderão ser melhor alternativas) Os elementos são mantidos ordenados (necessidade da existência do operador “<“) void ex_set() { // Pessoas que se encontram num edifício set<string> edificio; // Pessoas as entrarem e a saírem do edifício edificio.insert("Carlos"); edificio.insert("Miguel"); edificio.erase("Carlos"); edificio.insert(“Maria"); // Verifica se "Miguel" está presente if (edificio.find("Miguel") != edificio.end()) cout << “Miguel presente no edifício!" << endl; else cout << “Miguel fora do edifício." << endl; }

47 multiset<T> Semelhante a set<T>, mas os elementos podem aparecer mais do que uma vez. void ex_multiset() { multiset<unsigned> notasExame; // Gera aleatoriamente um conjunto de notas (0-20) for (unsigned i=0; i<200; i++) { int nota = rand()%11 + rand()%11; notasExame.insert(nota); } // Gera um histograma dos resultados cout << setw(6) << "Nota" << " | " << setw(6) << "Vezes |" << endl; for (unsigned nota=0; nota<=20; nota++) { cout << setw(6) << nota << " | " << setw(6) << notasExame.count(nota) << "|"; for (unsigned j=0; j<notasExame.count(nota); j++) cout << "#"; cout << endl;

48 O resultado da execução...

49 Porque é que o seguinte código não é válido?
struct Pessoa { int BI; string nome; // ###################################### Pessoa(int o_BI, const string& o_nome) : BI(o_BI), nome(o_nome) } }; void ex_set3() set<Pessoa> filaDoMercado; filaDoMercado.insert( Pessoa(432532, "Jorge Manuel") ); O operador “<“ não se encontra definido!! Não sabemos como inserir na árvore subjacente...

50 Não esquecer... Se vão ser utilizados tipos definidos pelo programador como chaves em map<TKey,TValue> e set<T>, é necessário, no mínimo, que o operador de ordem (“<“) esteja definido. struct Pessoa { int BI; string nome; // Pessoa(int o_BI, const string& o_nome) : BI(o_BI), nome(o_nome) } }; bool operator<(const Pessoa& other) const { return BI < other.BI; }

51 hash_map<TKey,TValue>, hash_set<T>
Ambas as classes têm o mesmo interface do que map e set no entanto, a implementação subjacente é uma tabela de dispersão (hashtable) Inserir, remover e pesquisar elementos é muito rápido Hashtable insert("Paulo Marques", 30) hash(“Paulo Marques”) = 32748 1 32748%7 = 2 2 30 32748%7 = 2 3 hash(“Paulo Marques”) = 32748 4 5 6 find("Paulo Marques")

52 hash_map<TKey,TValue>, hash_set<T> (2)
Actualmente não fazem parte do standard É muito provável que venham a fazer A maior parte dos compiladores inclui-as, embora variando o espaço de nomes onde se encontram (e.g. std::, stdext::) Os elementos não se encontram ordenados Apenas o operador de igualdade é necessário (==) O sistema tem de saber calcular um código de dispersão (hashcode) sobre os objectos usados como chave Também existem os análogos de multimap e multiset: hash_multimap e hash_multiset

53 Um teste de performance...

54 Que estrutura utilizar?
Condições map / multimap - Necessidade de armazenar elementos em que os mesmos têm de ser rapidamente pesquisados por uma chave de procura - Necessidade de armazenar elementos (automaticamente) ordenados de acordo com um certo critério - Caso só possa existir um elemento armazenado por chave de procura utiliza-se o map, caso contrário, o multimap set / multiset - Nas condições de map/multimap mas em que a chave de procura é o próprio elemento hash_map / hash_set - Não existe necessidade de obedecer ao standard ANSI C++ - Necessidade de uma maior velocidade de inserção, pesquisa e apagamento do que em map/multimap - Não é necessário (ou não faz sentido) existir um ordenamento por chave

55 Adaptadores Para além dos Containers básicos, existe um conjunto de classes que mascaram essas colecções e implementam um conjunto de estruturas de dados bastante úteis. stack<T>: Armazena um conjunto de elementos permitindo inserir e retirar elementos segundo uma política FIRST-IN-LAST-OUT Tipicamente utiliza um deque<T> como estrutura subjacente push(), pop(), top() queue<T>: Armazena um conjunto de elementos permitindo inserir e retirar elementos segundo uma política FIRST-IN-FIRST-OUT push(), pop(), front(), back() priority_queue<T>: Armazena um conjunto de elementos mantendo-os automaticamente ordenados Tipicamente utiliza um vector<T> como estrutura subjacente (!! Cuidado !!)

56 Algoritmos A STL possui um largo conjunto de algoritmos que actuam sobre colecções Os algoritmos dividem-se em categorias: Não Modificantes: for_each(), find(), find_if(), adjacent_find(), find_first_of(), count(), count-if(), mismatch(), equal(), search(), search_n(), find_end(), ... Modificantes: copy(), copy_n(), copy_backwards(), swap(), replace(), replace_if(), replace_copy(), replace_copy_if(), fill(), fill_n(), remove(), unique(), ... Ordenamento: sort(), binary_sort(), includes(), set_union(), set_intersection(), min(), max(), ... Numéricos: accumulate(), inner_product(), partial_sum(), power(), ... Fortemente baseados no uso de iteradores

57 Ordenar um vector #include <vector> #include <iostream>
#include <algorithm> using namespace std; void print(vector<int>& v) { for (unsigned i=0; i<v.size(); i++) cout << v[i] << "\t"; cout << endl; } void ex_algorithms() { // Um vector não ordenado vector<int> v; // Acrescenta 10 números aleatórios ao vector for (unsigned i=0; i<10; i++) v.push_back(rand()%100); // Mostra o vector antes e depois de ordenado print(v); sort(v.begin(), v.end());

58 O resultado da execução...

59 Mas, podemos re-escrever o código...
int random_number() { return rand() % 100; } void ex_algorithms2() { // v irá conter 10 valores aleatórios vector<int> v(10); generate(v.begin(), v.end(), random_number); // Imprime a tabela for_each(v.begin(), v.end(), print_element<int>()); cout << endl; // Ordena a tabela sort(v.begin(), v.end());

60 print_element<int>
Trata-se de uma “função unária” definida por nós... A STL define outros tipos de funções (e.g. binárias... ) #include <functional> template <class T> struct print_element : public unary_function<T,void> { void operator()(T& toPrint) cout << setw(5) << toPrint; } };

61 print_element<int>
Trata-se de uma “função unária” definida por nós... A STL define outros tipos (e.g. binária... ) Tipo que devolve Tipo do parâmetro de entrada #include <functional> template <class T> struct print_element : public unary_function<T,void> { void operator()(T& toPrint) cout << setw(5) << toPrint; } }; Método invocado na função

62 E o resultado é...

63 Um último exemplo do uso de algoritmos...
#define N_ELEMENTS(table,type) ( sizeof(table) / sizeof(type) ) void ex_set2() { // Cria duas tabelas estáticas int tabelaA[] = { 1, 2, 3, 4 }; int tabelaB[] = { 3, 4, 5, 6 }; // Calcula um conjunto resultante contendo a intercepção entre elas set<int> result; insert_iterator< set<int> > addToResult_it(result, result.begin()); set_intersection(tabelaA, tabelaA + N_ELEMENTS(tabelaA,int), tabelaB, tabelaB + N_ELEMENTS(tabelaB,int), addToResult_it); // Imprime o resultado ostream_iterator<int> output(cout, " "); cout << endl << "Conjunto A: \t"; copy(tabelaA, tabelaA + N_ELEMENTS(tabelaA,int), output); cout << endl << "Conjunto B: \t"; copy(tabelaB, tabelaB + N_ELEMENTS(tabelaB,int), output); cout << endl << "INTER(A,B): \t"; copy(result.begin(), result.end(), output); }

64 Iteradores No exemplo anterior vimos que é possível construir um iterador para inserções: insert_iterator Vimos também que é possível criar um iterador que envia os dados para uma stream de output: ostream_iterator Toda a STL é baseada em iteradores, dos quais existem os seguintes tipos: Input Iterators: Referem um objecto e podem ser incrementados (apontados) para o próximo. Output Iterators: Permitem escrever objectos e ser incrementados Forward Iterator: Permitem ler e escrever, sendo apenas incrementáveis para o próximo. Bidirectional Iterators: Similar aos forward iterators mas permitem avançar ou recuar. Random Access Iterators: Permitem acessos aleatórios à colecção subjacente (inc. aritmética de ponteiros)

65 Iteradores (2) Usandos estes conceitos de iteradores, os tipos concretos são... istream_iterator ostream_iterator reverse_iterator reverse_bidirectional_iterator insert_iterator front_insert_iterator back_insert_iterator input_iterator output_iterator forward_iterator bidirectional_iterator random_access_iterator Felizmente, em geral não é necessário preocuparmo-nos com estes detalhes...

66 OK! Onde estamos nós? Pouco aprofundado Container Classes Generic
Algorithms Function Objects Iterators Vector sort less insert erase list find equal insert erase istream istream_ iterator merge greater ostream ostream_ iterator

67 Uma questão importante...
Um aspecto extremamente importante quando se usa a STL (e, na verdade, C++), é não fazer cópias desnecessárias de objectos Regra geral, os objectos devem ser guardados num local. Caso estes sejam necessários noutras classes/métodos, devem de se utilizar referências Evita a chamada a copy-constructors e assigment operators Cada referência ocupa apenas 4 bytes (máquinas de 32bits)

68 Pequeno exemplo Pretende-se desenhar uma classe EMPREGADOS que permite armazenar PESSOAs Cada pessoa tem um “nome”, uma “morada” e um “BI” Vamos assumir que não existem duplicados (pessoas a viverem no mesmo local, com o mesmo nome ou com o mesmo BI) A classe tem de suportar pesquisas de forma eficiente por “nome”, “morada” e “bilhete de identidade” As pesquisas devolvem uma cópia da ficha (Pessoa). [Porquê uma cópia?]

69 Classe Empregados class Empregados { private:
map<string,Pessoa*> _nomeIndex; map<string,Pessoa*> _moradaIndex; map<int,Pessoa*> _BIIndex; public: Empregados(); virtual ~Empregados(); void adicionaPessoa(const Pessoa& pessoa); bool procuraPorNome(const string& nome, Pessoa& result); bool procuraPorMorada(const string& morada, Pessoa& result); bool procuraPorBI(int bi, Pessoa& result); };

70 Estrutura Pessoa struct Pessoa { string nome; string morada; int bi;
Pessoa(const string& o_nome, const string& a_morada, int o_bi) : nome(o_nome), morada(a_morada), bi(o_bi) {} void print() cout << "\t [ " << nome << " / " << morada << " / " << bi << "]" << endl; } };

71 Implementação de Empregados
Empregados::Empregados() { } void Empregados::adicionaPessoa(const Pessoa& pessoa) Pessoa* p = new Pessoa(pessoa); _nomeIndex[pessoa.nome] = p; _moradaIndex[pessoa.morada] = p; _BIIndex[pessoa.bi] = p; Empregados::~Empregados() map<int,Pessoa*>::iterator it = _BIIndex.begin(); while (it != _BIIndex.end()) Pessoa* p = it->second; ++it; delete p;

72 Implementação de Empregados (2)
bool Empregados::procuraPorNome(const string& nome, Pessoa& result) { map<string,Pessoa*>::iterator it = _nomeIndex.find(nome); if (it == _nomeIndex.end()) return false; else { result = *(it->second); return true; } bool Empregados::procuraPorMorada(const string& nome, Pessoa& result) { // Similar ao método acima } bool Empregados::procuraPorBI(int bi, Pessoa& result) map<int,Pessoa*>::iterator it = _BIIndex.find(bi); if (it == _BIIndex.end())

73 Test Drive Empregados loja;
loja.adicionaPessoa(Pessoa("Maria", "Coimbra, 2", )); loja.adicionaPessoa(Pessoa("Sofia", "Lisboa, 3", )); loja.adicionaPessoa(Pessoa("Tania", "Porto, 5", )); // ########################################## const int N = 4; const string nomes[N] = { "Maria", "Carlos", "Antonio", "Tania" }; Pessoa resultado; for (unsigned i=0; i<N; i++) { cout << "A pesquisar nome: " << nomes[i] << endl; if (loja.procuraPorNome(nomes[i], resultado)) resultado.print(); else cout << "\t Nao encontrado" << endl; } (...)

74 Resultado da Execução...

75 Para aprender mais... Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library, by Scott Meyers Addison-Wesley, June 2001 The C++ Standard Library : A Tutorial and Reference, by Nicolai M. Josuttis Addison-Wesley Professional, August 1999 C++ Primer, 4th Edition by Stanley B. Lippman et. al. Addison-Wesley Professional, Feb. 2005 “A bíblia laica do C++”, com cobertura adequada da STL Standard Template Library Programmer's Guide SGI Online Reference:

76 IMPORTANT NOTICE YOU ARE FREE TO USE THIS MATERIAL FOR YOUR PERSONAL LERNING OR REFERENCE, DISTRIBUTE IT AMONG COLLEGUES OR EVEN USE IT FOR TEACHING CLASSES. YOU MAY EVEN MODIFY IT, INCLUDING MORE INFORMATION OR CORRECTING STANDING ERRORS. THIS RIGHT IS GIVEN TO YOU AS LONG AS YOU KEEP THIS NOTICE AND GIVE PROPER CREDIT TO THE AUTHOR. YOU CANNOT REMOVE THE REFERENCES TO THE AUTHOR OR TO THE INFORMATICS ENGINEERING DEPARTMENT OF THE UNIVERSITY OF COIMBRA. (c) 2005 – Paulo Marques,

77 Sessão Prática

78 Problema 1 – Conta Palavras
Implemente um programa que dado um ficheiro de texto, conte o número de ocorrências de cada palavra nesse ficheiro. Assuma que o ficheiro pode ser de gigantesco (1 ou 2GB) Assuma que o número de palavras diferentes pode ser bastante elevado Como resultado da execução deve ser enviado para o ecrã o número de ocorrências de cada palavra (par palavra/nº vezes). Numa primeira fase apresente o resultado por ordem alfabética de palavras Numa segunda fase, apresente o resultado por ordem de ocorrência de palavras (na mais frequente para a menos) Não é necessário preocupar-se com a leitura do ficheiro: pode lê-lo do standard input: $ ./ocorrencias <romance.txt

79 Problema 2 – Anagramas Dado um dicionário de palavras de uma língua, encontrar todos os anagramas existentes. Por exemplo: “barragem”, “embargar” são anagramas pois escrevem-se exactamente com as mesmas letras. O ficheiro “english.txt” contém um dicionário de inglês que poderá utilizar nos seus testes. Se desejar, poderá ser-lhe fornecido um dicionário de Português, mas nesse caso terá de ser preocupar com os acentos... O ficheiro também contém palavras que começam por maiúscula Qual é o maior número de anagramas existentes? Numa primeira fase mostre apenas os existentes Numa segunda, mostre do maior número de anagramas para o menor.

80 Problema 3 – Árvore Mínima Abrangente
C I G 1 1 E 5 3 4 B 3 1 F 2 J D 5 1 1 H A 10 K Árvore Mínima Abrangente: Uma árvore que passa por todos os nodos em que o custo total é mínimo. (Nota: isto não é uma árvore que minimiza o caminho/tempo que os pacotes têm de percorrer!)

81 Árvore Mínima Abrangente
C I G 1 1 E 5 3 4 B 3 1 F 2 J D 5 1 1 H A 10 K

82 “Algoritmo de Prim” Começa-se com uma aresta de peso mínimo
Até que não seja possível adicionar arestas (altura em que formaria um ciclo) Encontrar a aresta de menor peso ligado a um nodo existente na árvore mínima actual e que não forme um ciclo se for adicionado Adiciona-se essa aresta à árvore mínima actual

83 Funcionalidades do Programa
Dada a descrição de uma rede: Permite modelar essa rede Calcula a árvore mínima abrangente Imprime a árvore mínima abrangente Simula o envio de um pacote de um nodo para outro int main() { Network net; net.addConnection("A", "D", 1); net.addConnection("B", "D", 1); net.addConnection("D", "E", 3); net.addConnection("C", "E", 1); net.addConnection("D", "F", 2); net.addConnection("E", "F", 4); net.addConnection("F", "G", 3); net.addConnection("G", "I", 1); net.addConnection("F", "J", 1); net.addConnection("F", "H", 5); net.addConnection("H", "K", 10); net.calculateMinimumSpanningTree(); net.printMinimumSpanningTree(); net.sendPacket("C", "K"); return 0; }