Corso JAVA Lezione n° 11 Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Le Strutture Dati Per struttura dati, in informatica si intende una struttura logica atta a contenere un certo numero di dati, nella quale è possibile inserire dati, toglierli, cercarli, ecc. Una semplice struttura dati l’abbiamo gia vista: l'array. Esso contiene un certo numero di dati che possono essere qualsiasi cosa, da byte ad oggetti complessi; si possono fare inserzioni, ricerche, cancellazioni e, come abbiamo potuto vedere anche in uno dei nostri esercizi delle lezioni scorse, volendo può anche essere ordinato. Per vedere se in un array grande N è presente un dato X, occorre visitare tutto l'array e fare dei confronti con ogni elemento dell'array, capite bene che questa è una operazione abbastanza complessa in termini di n° di operazioni. Esistono delle strutture dati che questa ricerca la fanno impiegando un solo accesso alla struttura, ad esempio le tabelle hash. La scelta delle strutture dati da usare in un programma è una scelta abbastanza complicata, infatti si sceglie una struttura anziché un'altra in base all'uso che ne deve essere fatto nel programma, ad esempio è difficile che in un database molto grande in cui si fanno continue ricerche si usi un array come struttura dati, perché ogni ricerca costerà tanto in termini di tempo. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Le Strutture Dati (2) Ovviamente non considerate il caso in cui il numero di elementi da controllare siano poche decine o qualche centinaia, in quel caso l’incidenza delle strutture dati e minimo; considerate il caso in cui gli elementi siano in un numero pari a qualche miliardo di elementi, in cui un singolo accesso in memoria realizzato grazie ad una tabella hash, deve essere paragonato a qualche miliardo di accessi per fare confronti, in un array tradizionale. Java mette a disposizione degli utenti tutta una gamma di strutture dati che è in grado di gestire autonomamente, lasciando all’utente il solo compito di usarle. Per la scelta della struttura dati più consona al nostro scopo, useremo il buon senso, perché per sceglierla in modo rigoroso occorrono delle conoscenze molto specifiche, tra cui i dettagli realizzativi delle strutture, studiate in corsi universitari quali Algoritmi e Strutture Dati , e Fondamenti di Complessità. In questa lezione vedremo brevemente quali sono le classi che Java mette a disposizioni per implementare queste strutture dati e se necessario verranno fatti degli accenni riguardo i tempi di inserzioni, ricerche, eccetera..., ma sempre evitando di entrare in discussioni troppo formali che vi risulterebbero forse incomprensibili. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

BitSet La prima struttura dati che vediamo oggi è il BITSET. Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 BitSet La prima struttura dati che vediamo oggi è il BITSET. La classe java.util.BitSet implementa vettori di bit che aumentano se necessario. Ogni componente del BitSet è individuato da un intero non negativo ed è associato ad un valore booleano, memorizzato in un bit, a cui si può accedere individualmente. Una volta che abbiano istanziato un oggetto Bitset, viene creato un insieme di bit lungo 232-1e tutti questi bit sono settati a false. I metodi più comuni che si utilizzano su di un oggetto Bitset sono i seguenti: void set(int i); void clear(int i); che rispettivamente pongono a true o a false il bit di indice i. void set(int i, int j); void clear(int i, int j); che rispettivamente pongono a true o a false i bit tra l'indice i compreso e l’indice j escluso. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

BitSet (2) boolean get(int i); Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 BitSet (2) boolean get(int i); che restituisce il valore del bit di indice i. int nextSetBit(int i); che restituisce il valore dell'indice del primo bit true dopo quello di indice i-1. int length(); che restituisce la grandezza logica del Bitset, ovvero il bit più alto settato a true, più uno. int size(); che restituisce il numero di bit attuali del Bitset, è il bit più alto che può essere posto a uno senza ampliare il Bitset. cardinality() che restituisce il numero di bit settati a true nel Bitset. String toString(), che trasforma la Bitset in una stringa. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Esempio di utilizzo di BitSet Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Esempio di utilizzo di BitSet Vediamo adesso un semplice programma che fa uso di un BitSet: il problema del crivello di Eratostene. Il crivello di Eratostene è un antico procedimento per il calcolo delle tabelle di numeri primi fino ad un certo numero n prefissato. Esso deve il nome al matematico Eratostene di Cirene, che ne fu l'ideatore, ed è a tutt'oggi utilizzato come algoritmo di calcolo dei numeri primi da molti programmi per computer; pur non essendo un algoritmo straordinariamente efficiente, infatti, è in compenso piuttosto semplice da tradurre in un qualsiasi linguaggio di programmazione. Il procedimento è il seguente: Si scrivono tutti i naturali a partire da 2 fino n in un elenco detto setaccio. Poi si cancellano (setacciano) tutti i multipli del primo numero del setaccio (escluso lui stesso). Si prosegue così fino ad arrivare in fondo. I numeri che restano sono i numeri primi minori od uguali a n. È come se si utilizzassero dei setacci a maglie via via più larghe: il primo lascia passare solo i multipli di 2, il secondo solo i multipli di 3, e così via. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Esempio di utilizzo di BitSet Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Esempio di utilizzo di BitSet /** * Calcola il numero di primi minori di n */ import java.util.Bitset; int Crivello_Erastotene(int n) { BitSet primi = new BitSet(n); primi.set(2,n); int i=1; while (i*2<n) { i = primi.nextSetBit(i+1); for(int k=i*2; k<n; k+=i) primi.clear(k); } return primi.cardinality(); Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector Prima di introdurre questa struttura dati vediamo quali sono gli svantaggi degli array, ovvero della struttura dati che più si avvicina ad un vector, che ci permetterà quindi di apprezzare i vantaggi dell’utilizzo dei vector. Il grosso difetto di fondo di un array è che bisogna conoscere a priori il numero massimo di dati da inserire. Se, per esempio, dobbiamo gestire un archivio destinato a crescere nel tempo è del tutto inefficiente poiché potremmo trovarci un giorno a dover correggere direttamente il codice. Oltre a questo problema l'array ha anche degli altri aspetti negativi relativi all'utilizzo della memoria di cui non ci occuperemo sia perché esulano dai nostri scopi sia perché nei PC moderni che dispongono di grosse quantità di memoria non siamo mai portati ad occuparcene. Vi basti sapere che l'array è la struttura dati indicata se il numero dei dati è conosciuto a priori (oppure è conosciuto il loro massimo valore, ad esempio nella gestione dell'anagrafica di una piccola azienda si può tranquillamente stimare un valore per eccesso) ed è relativamente basso. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector (2) Per ovviare agli inconvenienti visti prima, la teoria delle strutture dati ci offre varie alternative, una delle quali è implementata in Java tramite la classe Vector che offre, rispetto all'array, i seguenti vantaggi: La sua dimensione può variare dinamicamente E' possibile inserire e cancellare elementi in qualunque posizione senza lasciare "buchi" tramite l'invocazione di opportuni metodi Gli elementi del vector possono essere anche disomogenei. Per quanto riguarda l'efficienza del vector è doveroso precisare che esso è meno performante dell'array se vengono effettuate ripetute operazioni di inserimento e cancellazione e che il suo utilizzo deve essere limitato a insiemi non eccessivamente numerosi, per i quali è necessario usare strutture dati complesse o, nei casi estremi, una base di dati. N.B.: I Vector possono contenere solamente oggetti, no tipi fondamentali. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Vector (3) L'implementazione dei vettori è basata sugli array. Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector (3) L'implementazione dei vettori è basata sugli array. Al momento della creazione di un vettore, viene utilizzato un array di dimensioni predefinite; successivamente, se la capacità dell'array non è più sufficiente, viene creato un nuovo array più grande nel quale vengono copiati tutti gli elementi del vecchio. I principali costruttori di un vector sono 3: Vector (), che costruisce un vettore grande 10, e con possibilità di incremento pari a zero. Vector (int Capacità_Iniziale), costruisce un vettore grande quando Capacità_Iniziale, con possibilità di Incremento_Capacità pari a zero. Vector (int Capacità_Iniziale, int Incremento_Capacità), costruisce un vettore grande Capacità_Iniziale, con la possibilità di incremento pari a Incremento_Capacità. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector (4) I metodi più comuni che si utilizzano su di un oggetto Vector sono i seguenti:  int capacity ();   che restituisce la capacita' del vettore.  int size (); che restituisce il numero di elementi contenuti nel vettore.  Object elementAt (int index); che restituisce l'elemento di indice index.  void setElementAt (Object obj, int  index); che sostituisce l’oggetto obj all'oggetto della posizione index. void insertElementAt (Object obj, int index); che inserisce l’oggetto obj nella posizione index e sposta tutti gli elementi, da index in poi, di una posizione. void addElement (Object obj); che aggiunge l’oggetto obj dopo l'ultimo elemento. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Vector (5) void removeElementAt (int index); Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector (5) void removeElementAt (int index); che rimuove l'oggetto presente nella posizione index e sposta all’indietro di una posizione tutti gli elementi successivi a quello rimosso. boolean removeElement (Object obj); che rimuove l’oggetto obj se presente restituendo true, altrimenti restituisce false. int indexOf (Object elemento); che cerca la prima occorrenza del dato elemento nel vettore, e ne restituisce l'indice. Nel caso in cui l’elemento non sia presente nel vettore restituisce –1. boolean isEmpty(), che restituisce true se il vettore è vuoto, false altrimenti. Object lastElement(), che restituisce l’ultimo elemento del vettore. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Vector VS. Array Array Vector // Nessun pacchetto richiesto Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Vector VS. Array Array Vector // Nessun pacchetto richiesto import java.util.Vector; String[] elenco = new String[5]; Vector elenco = new Vector(5); for (int i=0 ; i<elenco.length ; i++) {   { elenco[i] = "Numero "+i; } for (int i=0 ; i<elenco.capacity() ; i++)   { elenco.addElement("Numero "+i); } System.out.println(elenco[2]); System.out.println(elenco.elementAt(2)); for (int i=0 ; i<elenco.length ; i++)   { System.out.println(elenco[i]); } for (int i=0 ; i<elenco.size() ; i++)   {System.out.println(elenco.elementAt(i));} elenco[2] = "Mario Rossi"; elenco.setElementAt("Mario Rossi",2); for (int i=elenco.length-1 ; i>2 ; i--) { elenco[i] = elenco[i-1]; } elenco[2] = "Mario Verdi"; elenco.insertElementAt("Mario Verdi",2); for (int i=3 ; i<elenco.length ; i++)  { elenco[i-1] = elenco[i]; } elenco[elenco.length-1] = null;  elenco.removeElementAt(2); Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Tipi primitivi in un vettore Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Tipi primitivi in un vettore I numeri in Java sappiamo che non sono oggetti, quindi non è possibile inserirli direttamente in un vettore; Per memorizzare una sequenza di numeri interi, numeri in virgola mobile, o valori di tipo boolean in un vettore, si devono usare le classi involucro.  Le istanze di queste classi sono usate per incapsulare valori primitivi all'interno di un oggetto. Questo ci permette di trattare in maniera omogenea tipi primitivi ed oggetti. Gli oggetti involucro possono naturalmente essere inseriti in un vettore. Ci sono classi involucro per tutti i tipi primitivi. Normalmente hanno un nome simile al corrispondente tipo primitivo, ma iniziano con maiuscola: Bignum, Boolean, Byte, Character, Double, Float, Integer, Long, Number, Short Ciascuna di queste classi ha (oltre ai soliti metodi toString e equals): un costruttore con parametro di tipo primitivo (ad esempio Character(char c) o Integer(int value)); un costruttore con parametro String (ad esempio Integer(String s)); un metodo <tipo>Value che produce il valore di tipo primitivo corrispondente (ad esempio intValue()); Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Esempio: La classe Integer Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Esempio: La classe Integer La classe Integer è la classe involucro per numeri interi. Ha un costruttore che crea un oggetto di tipo Integer a partire da un valore di tipo int: Integer numero = new Integer(30); Viceversa, il metodo intValue restituisce il valore di tipo int memorizzato nell'oggetto di tipo Integer: int n = numero.intValue(); Ecco come si può aggiungere un numero intero a un vettore:     Vector dati = new Vector(); // Istanzio un vettore;     int n = 30;     Integer numero = new Integer(n); //Istanzio un oggetto Integer inserendo all’interno il ns. intero (30)     dati.addElement(numero); //Aggiungo l’oggetto Integer appena istanziato al Vector dati Per recuperare il numero, si deve convertire con un cast il riferimento restituito dal metodo elementAt in modo da ottenere un oggetto di tipo Integer (il metodo restituisce un Object), per poi invocare il metodo intValue:     Integer numero = (Integer)dati.elementAt(0);     int n = numero.intValue(); Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 La Pila - Stack La pila (stack) è una struttura dati astratta molto semplice, ma dal diffuso impiego. Intuitivamente, una pila è un sequenza di zero o più elementi in cui è possibile aggiungere o togliere elementi soltanto ad un estremo della sequenza detto cima (top) della pila. Politica di accesso: LIFO  (Last In, First Out) [ultimo elemento inserito, primo elemento rimosso] Di solito una pila viene rappresentata graficamente come una sequenza verticale di "caselle" contenenti i suoi elementi. La casella più in alto è la cima (top). <A, B, C>  pila di tre elementi vista come sequenza  e sua rappresentazione grafica  C B A Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Operazioni su di uno Stack Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Operazioni su di uno Stack Le operazioni definite su una pila sono le seguenti: Inserimento di un elemento in cima alla pila (normalmente chiamata push) Estrazione dell'elemento in cima alla pila (chiamata pop) Lettura dell'elemento in cima alla pila, senza eliminarlo (chiamata top o peek) Controllo se la pila è vuota oppure no (predicato isEmpty) Svuotamento della pila (chiamata clear) Abbiamo detto che lo Stack è una struttura dati astratta, questo perché è possibile utilizzare diverse strutture dati, facendole funzionare come una pila. Abbiamo detto che Stack è una struttura dati astratta, ma capite bene che, per il motivo precedente Stack è più propriamente una interfaccia! Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Interfaccia Stack Quindi se vogliamo utilizzare una struttura dati secondo i concetti della pila, dobbiamo implementare con quella struttura dati la seguente interfaccia: public interface Stack Specifica dei metodi per la gestione della pila, con riferimento alle classi di Java Collections API disponibili in java.util.*. ******************* METODI PUBBLICI ********************** Object push( Object x); //Inserisce x in cima alla pila Object pop( ); //Estrae dalla cima della pila Object peek( ); //Restituisce l'elemento in cima boolean isEmpty( ); //Verifica se la pila e' vuota void clear( ); //Svuota la pila ****************** ECCEZIONI ****************************** pop e peek generano java.util.EmptyStackException con pila vuota . Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 La Coda - Queue Una coda  (queue)  è un sequenza di zero o più elementi in cui è possibile  aggiungere elementi soltanto ad un estremo della sequenza, detto fondo (back), ed è possibile toglierli soltanto dall'altro estremo, detto testa (front). Politica di accesso: FIFO (First In, First Out) [primo elemento inserito, primo elemento rimosso] Rappresentiamo una coda come una sequenza di caselle contenenti i suoi elementi, nell'ordine in cui sono stati inseriti. La casella più a sinistra è la testa (front), quella più a destra è il fondo (back).   <A, B, C, D, E>        front        back coda di cinque elementi vista come sequenza e sua rappresentazione grafica A B C D E Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Operazioni su di una Queue Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Operazioni su di una Queue Le operazioni definite su una coda sono le seguenti : Inserimento di un elemento in fondo alla coda (chiamata enqueue) Estrazione dell'elemento in testa alla coda (chiamata dequeue) Lettura dell'elemento in testa alla coda, senza eliminarlo (chiamata front)  Controllo se la coda è vuota oppure no (predicato isEmpty) Svuotamento della coda (chiamata clear) Si noti che pile e code hanno essenzialmente le stesse operazioni,  ma con significato (e quindi nome) diverso! Ovviamente anche la Coda è un’interfaccia! Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Interfaccia Queue Quindi se vogliamo utilizzare una struttura dati secondo i concetti della pila, dobbiamo implementare con quella struttura dati la seguente interfaccia: public interface Queue Specifica dei metodi per la gestione della coda, per analogia con la classe Stack di Java Collections API disponibile in java.util.*. ********************* METODI PUBBLICI *********************** Object enqueue( Object x); //Inserisce x in fondo alla coda Object dequeue( ); //Estrae dalla testa della coda Object front( ); //Restituisce l'elemento in testa boolean isEmpty( ); //Verifica se la coda e' vuota void clear( ); //Svuota la coda ******************** ECCEZIONI ****************************** dequeue e front generano EmptyQueueException con coda vuota Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Implementazione dell’interfaccia Stack con Vector - VectorStack Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Implementazione dell’interfaccia Stack con Vector - VectorStack import java.util.Vector; import java.util.EmptyStackException; public class VectorStack implements Stack { protected Vector theVector; public VectorStack( ) //Costruttore dello Stack theVector = new Vector( ); } public Object push( Object x ) if ( x == null ) throw new IllegalArgumentException( ); theVector.addElement( x ); return x; Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Implementazione dell’interfaccia Stack con Vector - VectorStack (2) Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 Implementazione dell’interfaccia Stack con Vector - VectorStack (2) public Object pop( ) { if ( isEmpty( ) ) throw new EmptyStackException( ); return theVector.removeElementAt( theVector.size( )-1 ); } public Object peek( ) return theVector.get(theVector.size( )-1 ); public boolean isEmpty( ) { return theVector.isEmpty( ); } public void clear( ) { theVector.clear( ); } Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 HashTable Prima di terminare la lezione faremo un accenno anche ad un’altra struttura dati: le tabelle hash. Una tabella hash è un insieme di coppie < chiave, valore >; tramite la chiave ed una funzione hash è possibile recuperare il valore associato alla chiave, in particolare si recupera l’indirizzo di memoria dove il valore ha inizio. Ovviamente una funzione hash è una funzione univoca che associa ad ogni chiave un solo valore. Come per i Vector anche in questo caso sia la chiave che il valore associato devono essere oggetti, pertanto valgono le stesse considerazioni che sono state fatte per i vector. La principale caratteristica dell’Hashtable consiste nel fatto che l’accesso alle informazioni una volta ottenuta la chiave è molto veloce, rispetto ad un Vector. Ovviamente ogni struttura dati ha i propri vantaggi e i propri svantaggi. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

HashTable (2) metodi più importanti implementati da Hashtable sono: Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 HashTable (2) metodi più importanti implementati da Hashtable sono: hashtable.size() che restituisce un intero contenente il numero di elementi inseriti in hashtable; hashtable.isEmpty (): che restituisce un valore booleano che indica se l’hashtable è vuota o meno (il valore true segnala che l’hashtable è vuota); hashtable.get (Object key): che restituisce l'oggetto a cui è associata la chiave key, se la chiave non viene trovata restituisce null; hashtable.put (Object key, Object elem): che inserisce nell’hashtable l'elemento elem e gli associa la chiave key, se chiave è già stata inserita viene sostituito l'oggetto a lei associato e viene restituito, altrimenti viene restituito null; Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

HashTable (3) metodi più importanti implementati da Hashtable sono: Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 HashTable (3) metodi più importanti implementati da Hashtable sono: hashtable.remove (Object key)): che rimuove da hashtable l'elemento associato a key, se la chiave non esiste viene restituito null. Ad un oggetto di tipo Hashtable può venire associato un oggetto di tipo Enumeration, che permette di scorrere la collezione di oggetti, utilizzando i metodi: enumeration.hasMoreElements (): che restituisce il valore booleano true se ci sono ancora elementi da scorrere; enumeration.nextElement(): che si sposta all'elemento successivo. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”

Corso di Programmazione in Java – Lezione n° 11 In Conclusione In questa lezione abbiamo visto alcune strutture dati, ed alcune interfacce che permettono di modificare il comportamento di tali strutture dati. Ovviamente ne esistono molte altre: Liste, Liste a doppia concatenazione, Alberi, ecc. e capite bene che descriverle tutte sarebbe un lavoraccio. La cosa che vi deve interessare è che tutte, + o -, hanno metodi per inserire, togliere, recuperare le informazioni contenute e metodi per gestire la struttura stessa. Ogni volta che si deve scegliere una struttura dati se ne devono valutare i vantaggi e gli svantaggi e capire quali influiranno maggiormente nella nostra applicazione; ovviamente è possibile recuperare tutte le informazioni che servono consultando la documentazione del Java Development Kit, dove sono descritte tutte queste classi. Per il resto del nostro corso sarà sufficiente conoscere le strutture dati che abbiamo visto in questa lezione. Istituto Statale di Istruzione Superiore “F. Enriques”