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Classe 42/A - Giovanni Novelli Fondamenti di Informatica Prof. Cantone MODULO Strutture dati avanzate e allocazione dinamica della memoria.

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1 Classe 42/A - Giovanni Novelli Fondamenti di Informatica Prof. Cantone MODULO Strutture dati avanzate e allocazione dinamica della memoria

2 Modulo 2 – IV Anno MODULO 2: Strutture dati avanzate e allocazione dinamica della memoria UD3: Le liste( 4 sett.) UD4: Pile e code( 2 sett.) UD5: Alberi e Grafi ( 1 sett.) tot. 7 settimane (42 ore) Per modulo 2

3 Modulo 2 – IV Anno MODULO 2: Strutture dati avanzate e allocazione dinamica della memoria Questo modulo è proposto per una quarta classe di un Istituto Tecnico Industriale ad indirizzo Informatico. Lobiettivo del modulo è di presentare: schemi significativi di organizzazione delle informazioni; le regole operative per la manipolazione delle strutture astratte di dati; i metodi di rappresentazione (memorizzazione) delle strutture dati dinamiche allinterno di un elaboratore.

4 Unità Didattica 3: Le liste INTRODUZIONE Prerequisiti Competenze Descrittori Metodologie, Spazi e Strumenti Verifiche e Valutazione Tempi

5 Prerequisiti Conoscenza della rappresentazione della memoria in un calcolatore Conoscenze sicure del linguaggio C++ Uso delle strutture di controllo, delle strutture dati e delle funzioni Definizione delle classi con attributi e metodi Applicazione dei concetti di programmazione ad oggetti nel linguaggio C++

6 Competenze Comprendere la differenza tra gestione statica e gestione dinamica della memoria Individuare soluzioni dei problemi basate sulluso di liste di dati dinamiche Definire i modelli di classe

7 Descrittori Conoscenze: Creazione dinamica di aree di memoria Implementazione di liste Modelli di classe

8 Descrittori Abilità: Saper scrivere un programma che usa la gestione della memoria utilizzando liste dinamiche semplici Saper scrivere un programma che usa la gestione della memoria utilizzando liste dinamiche doppie

9 Metodologie Lezione frontale Lezione dialogata Brainstorming

10 Spazi Aula Laboratorio

11 Strumenti Libro di testo Dispense Lavagna Computer

12 Verifiche Questionari e test (strutturati e semi- strutturati) Esercitazioni di laboratorio Presentazione dei risultati delle esercitazioni in aula Colloqui individuali

13 Valutazione Impegno Attenzione Conoscenze Competenze Abilità

14 Tempi 12 ore di lezione 6 ore di laboratorio 3 ore di verifica 3 ore di recupero e/o potenziamento

15 UD1: Le liste Gestione statica e gestione dinamica della memoria Liste semplici Liste doppie

16 Gestione della memoria Statica Il numero massimo di elementi di un vettore è definito a tempo di compilazione (compile time) e allocato allavviamento del codice eseguibile Dinamica Vengono definite aree di memoria disponibili per lallocazione/deallocazione a tempo di esecuzione (run time)

17 Implementazione statica di liste Un esempio di lista implementata staticamente è un vettore di 500 elementi per la memorizzazione del numero di tessera dei clienti che parcheggiano la propria automobile nellautorimessa In questo tipo di problema è noto il numero di automobili che lautorimessa è in grado di ospitare Ci sono situazioni in cui il numero massimo di elementi non è noto a priori Lallocazione di vettori di dimensione abbastanza ampia per contenere il valore massimo possibile di elementi è di per sé inefficiente in quanto generalmente comporta un oneroso dispendio di memoria

18 Gestione dinamica della memoria in C++ Le istruzioni per lallocazione della memoria vengono richiamate durante lesecuzione del programma Il C++ dispone delle istruzioni new (allocazione di nuova memoria) e delete (deallocazione della memoria).

19 Allocazione di nuova memoria in C++ Listruzione new deve essere seguita dal tipo di dato di cui si vuole allocare la memoria Tale istruzione restituisce lindirizzo di memoria E importante assegnare il risultato ad un puntatore per evitare la creazione di memoria garbage

20 Deallocazione di memoria in C++ Listruzione delete è seguita dallindirizzo di memoria da deallocare, solitamente contenuto in un puntatore. E buona norma utilizzare tale istruzione per deallocare la memoria non più utilizzata per renderla disponibile al programma o ad altri programmi onde evitare anche il possibile esaurimento della risorsa (memory leak)

21 Esempio di utilizzo delle istruzioni new e delete (1/2) #include void main() { int *p = new int; // allocazione di un intero *p = 10; cout << *p << endl; delete p;// deallocazione p = new int[3];//allocazione dinamica di un array di interi p[0] = p[2] = 4; p[1] = 5; cout << *p++ << << *p++ << << *p++ << endl; delete (p-3); }

22 Esempio di utilizzo delle istruzioni new e delete (2/2) Lesecuzione del programma produce il seguente output: Alcuni compilatori liberano la memoria dinamica prima della chiusura del programma ma è buona norma deallocare tutte le variabili allocate dinamicamente in modo da evitare linsorgere di memory leaks.

23 Definizione di lista Una lista è una sequenza di elementi di un determinato tipo è un multinsieme ovvero vi possono essere ripetizioni del medesimo elemento è una sequenza (collezione ordinata) ovvero siamo in grado di individuare il primo elemento, il secondo, etc...

24 Le liste e la memoria Realizzazione come vettore di N elementi non adeguata quando non è noto a priori il massimo numero di elementi della lista (allocazione statica della memoria) Rappresentazione collegata (linked lists) mediante puntatori (allocazione dinamica della memoria)

25 Liste: rappresentazione linked Si memorizzano gli elementi associando a ciascuno di essi linformazione (riferimento) che permette di individuare la locazione in cui è inserito lelemento successivo Si possono realizzare mediante strutture dati dinamiche

26 Notazione grafica testa abc Elementi della lista come nodi e riferimenti come archi. [a,b,c]

27 Operazioni Inserimento in testa Eliminazione in testa Inserimento di un elemento Eliminazione di un elemento

28 Inserimento in testa testa abc L = [a,b,c] L = [ f, a, b, c ] f

29 Eliminazione in testa testa abc L = [a,b,c] L = [ b, c ]

30 Inserimento di un elemento testa a bd L = [a,b,d] L = [ a, b, c, d ] c

31 Eliminazione di un elemento testa abc L = [a,b,c] L = [ a, c ]

32 Implementazione in C++ di una lista semplice definizione della struttura dati implementazione delle operazioni di: inserimento di un elemento in testa eliminazione di un elemento

33 Codifica C++ - Dichiarazione tipo typedef char Info; typedef struct Cella { Info value; struct Cella *next; } Cella; valuenext

34 Classe Lista class Lista { Cella *cima, *coda; public: Lista() : cima(0), coda(0) {} // costruttore ~Lista() {// distruttore Cella *cella = cima; while (cella) { cima = cella->next; delete cella; cella = cima; }

35 Classe Lista: Inserimento in testa void insert(Info info) { // inserisce la info in testa Cella *cella = new Cella; cella->value = info; cella->next = cima; cima = cella; }

36 Classe Lista: Eliminazione di un elemento int remove(Info info) { // rimuove la info dalla lista Cella *cella = cima; Cella *prev = NULL; while (cima) { cima = cella->next; if (cella->value == info) { // va rimossa la cella if (prev) { prev->next = cima; } delete cella; return 0; } prev = cella; } return 1; }

37 Liste: doubly linked (1/3) Si memorizzano gli elementi associando a ciascuno di essi le informazioni (riferimenti) che permettono di individuare le locazioni in cui sono inseriti lelemento precedente e quello successivo Si possono realizzare mediante strutture dati dinamiche

38 Liste: doubly linked (2/3) Una doubly linked list può immaganizzare informazioni di qualunque tipo. Limplementazione in C++ che verrà illustrata nelle slide che seguono è relativa alla memorizzazione di stringhe.

39 Liste: doubly linked (3/3) Tutte le doubly linked lists condividono due operazioni fondamentali: inserimento di un elemento nella lista rimozione di un elemento dalla lista Limplementazione presentata di seguito fornisce ulteriori operazioni quali: ricerca di un elemento modifica di un elemento overloading degli operatori > per le operazioni di I/O

40 Notazione grafica Elementi della lista come nodi e riferimenti come archi. [a,b,c] abc

41 Operazioni Inserimento in coda Eliminazione di un elemento per valore Visualizzazione della lista dallinizio Visualizzazione della lista dalla fine Ricerca di un elemento per valore

42 Classe dblink Dichiarazione (1/3) const int STRSIZE = 80; class dblink { char info[STRSIZE];// informazione dblink *next;// puntatore allelemento successivo dblink *prior;// puntatore allelemento precedente public: dblink() {// costruttore lista vuota next = NULL; prior = NULL; }; dblink(char *s) {// costruttore lista con un elemento if (strlen(s)

43 Classe dblink Dichiarazione (2/3) void store(dblink **start, dblink **end);// inserimento di un elemento void remove(dblink **start, dblink **end);// eliminazione void frwdlist();// visualizzazione dallinizio void bkwdlist();// visualizzazione dalla fine dblink *getnext() {return next;} dblink *getprior() {return prior;} int change(char *s);// modifica di un elemento void getinfo(char *s) {strcpy(s, info);} dblink *find(char *s); // ricerca di un elemento

44 Classe dblink Dichiarazione (3/3) // Overloading di << per loggetto di tipo dblink friend ostream &operator<<(ostream &stream, dblink o) { stream << o.info << \n; return stream; } // Overloading di << per il puntatore alloggetto di tipo dblink friend ostream &operator<<(ostream &stream, dblink *o) { stream info << \n; return stream; } // Overloading di >> per i riferimenti ad oggetti di tipo dblink friend istream &operator>>(istream &stream, dblink &o) { stream >> o.info; return stream; }

45 Classe dblink La variabile info contiene linformazione memorizzata in ciascuna cella della lista Questo esempio di classe è stato progettato per la gestione di liste doppie di stringhe Lo stesso tipo generale di meccanismo può essere utilizzato per mantenere liste con qualsiasi tipo di informazione Quando si vogliono implementare metodi che tengano conto dellordine tra le informazioni va definito un metodo per confrontare gli elementi fra di loro. Ciò è facilmente realizzabile utilizzando loverloading degli operatori di confronto

46 Classe dblink Inserimento in coda (1/3) void dblink::store(dblink **start, dblink **end) { // inserimento in coda if (*start==NULL) { //inserimento allinizio della lista se è vuota next = NULL; prior = NULL; *end = *start = this; } else {// inserimento in coda next = NULL; prior = *end; (*end)->next = this; *end = this; }

47 Inserimento in coda L = [a,b] L = [ a, b, c ] abc

48 Classe dblink Inserimento in coda (2/3) Questo metodo fa sì che loggetto puntato da o sia aggiunto alla fine della lista. Al metodo vengono passati gli indirizzi dei puntatori allinizio e alla fine della lista. Questi puntatori sono già stati creati altrove allinterno del programma che usa la classe. I puntatori start e end devono essere posti a NULL quando il programma inizia. Quando il primo elemento viene aggiunto alla lista, start e end puntano ad esso Ciascun successivo inserimento causa laggiornamento di end. In questo modo start e end puntano sempre rispettivamente allinizio e alla fine della lista.

49 Classe dblink Inserimento in coda (3/3) Il seguente frammento di codice mostra come dichiarare i puntatori starte end e come aggiungere oggetti alla lista. dblink a(One), b(Two), c(Three); dblink *start, *end; end = start = NULL; a.store(&start, &end); b.store(&start, &end); c.store(&start, &end); Questa implementazione dellinserimento fa sì che la lista non sia ordinata. Il metodo store può essere modificato per mantenere la lista ordinata.

50 Classe dblink Eliminazione di un elemento (1/2 ) void dblink::remove(dblink **start, dblink **end) { // eliminazione if (prior) { prior->next = next; if (next) next->prior = prior; else *end = prior; } else { if (next) { next->prior = NULL; *start = next; } else *start = *end = NULL; }

51 Classe dblink Eliminazione di un elemento (2/2) Questo metodo fa sì che loggetto puntato da o sia rimosso dalla lista. Un elemento della lista può trovarsi in testa, in coda o nel mezzo. Il metodo considera tutti e tre i casi. Il metodo va chiamato con gli indirizzi dei puntatori a start e end come parametri. Esempio di chiamata al metodo per un oggetto ob nella lista: ob.remove(&start,&end); Il metodo rimuove un elemento dalla lista ma non distrugge il relativo oggetto, lo scollega semplicemente. Sia il metodo remove che il metodo store nellattuale implementazione sono indipendenti dal tipo di informazione memorizzata nella lista.

52 Esercizi Realizzare le seguenti funzioni da aggiungere alla classe dblink: FunzioneScopo getfirst() Restituisce un puntatore al primo elemento getlast() Restituisce un puntatore allultimo elemento getlength() Restituisce il numero di elementi della lista

53 Classe 42/A - Giovanni Novelli


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