Опубликован: 10.10.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 5981 / 454 | Оценка: 4.26 / 3.88 | Длительность: 31:30:00
Лекция 8:

Шаблоны типа

8.8 Ассоциативный массив

Из всех универсальных невстроенных типов самым полезным, по всей видимости, является ассоциативный массив. Его часто называют таблицей (map), а иногда словарем, и он хранит пары значений. Имея одно из значений, называемое ключом, можно получить доступ к другому, называемому просто значением. Ассоциативный массив можно представлять как массив, в котором индекс не обязан быть целым:

template<class K, class V> class Map {
   // ...
public:
   V& operator[](const K&); // найти V, соответствующее K
 // и вернуть ссылку на него
   // ...
};

Здесь ключ типа K обозначает значение типа V. Предполагается, что ключи можно сравнивать с помощью операций == и <, так что массив можно хранить в упорядоченном виде. Отметим, что класс Map отличается от типа assoc из \S 7.8 тем, что для него нужна операция "меньше чем", а не функция хэширования.

Приведем простую программу подсчета слов, в которой используются шаблон Map и тип String:

#include <String.h>
#include <iostream.h>
#include "Map.h"

int main()
{
  Map<String,int> count;
  String word;

  while (cin >> word) count[word]++;

  for (Mapiter<String,int> p = count.first(); p; p++)
      cout << p.value() << '\t' << p.key() << '\n';

  return 0;
}

Мы используем тип String для того, чтобы не беспокоиться о выделении памяти и переполнении ее, о чем приходится помнить, используя тип char*. Итератор Mapiter нужен для выбора по порядку всех значений массива. Итерация в Mapiter задается как имитация работы с указателями. Если входной поток имеет вид

It was new. It was singular. It was simple. It must succeed.

программа выдаст

4         It
1         must
1         new.
1         simple.
1         singular.
1         succeed.
3         was.

Конечно, определить ассоциативный массив можно многими способами, а имея определение Map и связанного с ним класса итератора, мы можем предложить много способов для их реализации. Здесь выбран тривиальный способ реализации. Используется линейный поиск, который не подходит для больших массивов. Естественно, рассчитанная на коммерческое применение реализация будет создаваться, исходя из требований быстрого поиска и компактности представления (см. упражнение 4 из \S 8.9).

Мы используем список с двойной связью Link:

template<class K, class V> class Map;
template<class K, class V> class Mapiter;

template<class K, class V> class Link {
  friend class Map<K,V>;
  friend class Mapiter<K,V>;
private:
  const K key;
  V value;

  Link* pre;
  Link* suc;

  Link(const K& k, const V& v) : key(k), value(v) { }
  ~Link() { delete suc; } // рекурсивное удаление всех
           // объектов в списке
};

Каждый объект Link содержит пару (ключ, значение). Классы описаны в Link как друзья, и это гарантирует, что объекты Link можно создавать, работать с ними и уничтожать только с помощью соответствующих классов итератора и Map. Обратите внимание на предварительные описания шаблонных классов Map и Mapiter.

Шаблон Map можно определить так:

template<class K, class V> class Map {
   friend class Mapiter<K,V>;
   Link<K,V>* head;
   Link<K,V>* current;
   V def_val;
   K def_key;
   int sz;

   void find(const K&);
   void init() { sz = 0; head = 0; current = 0; }

public:

   Map() { init(); }
   Map(const K& k, const V& d)
      : def_key(k), def_val(d) { init(); }
   ~Map() { delete head; }  // рекурсивное удаление
    // всех объектов в списке
   Map(const Map&);
   Map& operator= (const Map&);

   V& operator[] (const K&);

   int size() const { return sz; }
   void clear() { delete head; init(); }
   void remove(const K& k);

       // функции для итерации

   Mapiter<K,V> element(const K& k)
   {
     (void) operator[](k);  // сделать k текущим элементом
     return Mapiter<K,V>(this,current);
   }
   Mapiter<K,V> first();
   Mapiter<K,V> last();
 };

Элементы хранятся в упорядоченном списке с двойной связью. Для простоты ничего не делается для ускорения поиска (см. упражнение 4 из \S 8.9). Ключевой здесь является функция operator[]():

template<class K, class V>
V& Map<K,V>::operator[] (const K& k)
{
  if (head == 0) {
     current = head = new Link<K,V>(k,def_val);
     current->pre = current->suc = 0;
     return current->value;
  }

  Link<K,V>* p = head;
  for (;;) {
      if (p->key == k) { // найдено
         current = p;
         return current->value;
      }

  if (k < p->key) { // вставить перед p (в начало)
     current = new Link<K,V>(k,def_val);
     current->pre = p->pre;
     current->suc = p;
     if (p == head)  // текущий элемент становится начальным
        head = current;
     else
        p->pre->suc = current;
     p->pre = current;
     return current->value;
   }

   Link<K,V>* s = p->suc;
   if (s == 0) {  // вставить после p (в конец)
      current = new Link<K,V>(k,def_val);
      current->pre = p;
      current->suc = 0;
      p->suc = current;
      return current->value;
   }
   p = s;
 }
           }

Операция индексации возвращает ссылку на значение, которое соответствует заданному как параметр ключу. Если такое значение не найдено, возвращается новый элемент со стандартным значением. Это позволяет использовать операцию индексации в левой части присваивания. Стандартные значения для ключей и значений устанавливаются конструкторами Map. В операции индексации определяется значение current, используемое итераторами.

Реализация остальных функций-членов оставлена в качестве упражнения:

template<class K, class V>
void  Map<K,V>::remove(const K& k)
{
   // см. упражнение 2 из 8.10
}

template<class K, class V>
Map<K,V>::Map(const Map<K,V>& m)
{
   // копирование таблицы Map и всех ее элементов
}

template<class K, class V>
Map& Map<K,V>::operator=(const Map<K,V>& m)
{
   // копирование таблицы Map и всех ее элементов
}

Теперь нам осталось только определить итерацию. В классе Map есть функции-члены first(), last() и element(const K&), которые возвращают итератор, установленный соответственно на первый, последний или задаваемый ключом-параметром элемент. Сделать это можно, поскольку элементы хранятся в упорядоченном по ключам виде.

Итератор Mapiter для Map определяется так:

template<class K, class V> class Mapiter {
  friend class Map<K,V>;

  Map<K,V>* m;
  Link<K,V>* p;

  Mapiter(Map<K,V>* mm, Link<K,V>* pp)
      { m = mm; p = pp; }
public:
  Mapiter() { m = 0; p = 0; }
  Mapiter(Map<K,V>& mm);

  operator void*() { return p; }

  const K& key();
  V& value();

  Mapiter& operator--();  // префиксная
  void operator--(int);   // постфиксная
  Mapiter& operator++();  // префиксная
  void operator++(int);   // постфиксная
};

После позиционирования итератора функции key() и value() из Mapiter выдают ключ и значение того элемента, на который установлен итератор.

template<class K, class V> const K& Mapiter<K,V>::key()
{
  if (p) return p->key; else return m->def_key;
}

template<class K, class V> V& Mapiter<K,V>::value()
{
  if (p) return p->value; else return m->def_val;
}

По аналогии с указателями определены операции ++ и -- для продвижения по элементам Map вперед и назад:

Mapiter<K,V>& Mapiter<K,V>::operator--() //префиксный декремент
{
  if (p) p = p->pre;
  return *this;
}

void Mapiter<K,V>::operator--(int)  // постфиксный декремент
{
  if (p) p = p->pre;
}

Mapiter<K,V>& Mapiter<K,V>::operator++() // префиксный инкремент
{
  if (p) p = p->suc;
  return *this;
}

void Mapiter<K,V>::operator++(int)   // постфиксный инкремент
{
  if (p) p = p->suc;
}

Постфиксные операции определены так, что они не возвращают никакого значения. Дело в том, что затраты на создание и передачу нового объекта Mapiter на каждом шаге итерации значительны, а польза от него будет не велика.

Объект Mapiter можно инициализировать так, чтобы он был установлен на начало Map:

template<class K, class V> Mapiter<K,V>::Mapiter(Map<K,V>& mm)
{
    m == &mm; p = m->head;
 }

Операция преобразования operator void*() возвращает нуль, если итератор не установлен на элемент Map, и ненулевое значение иначе. Значит можно проверять итератор iter, например, так:

void f(Mapiter<const char*, Shape*>& iter)
{
  // ...
  if (iter) {
   // установлен на элемент таблицы
  }
  else {
   // не установлен на элемент таблицы
  }

  // ...
}

Аналогичный прием используется для контроля потоковых операций ввода-вывода в \S 10.3.2.

Если итератор не установлен на элемент таблицы, его функции key() и value() возвращают ссылки на стандартные объекты.

Если после всех этих определений вы забыли их назначение, можно привести еще одну небольшую программу, использующую таблицу Map. Пусть входной поток является списком пар значений следующего вида:

hammer       2
nail         100
saw          3
saw          4
hammer       7
nail         1000
nail         250

Нужно отсортировать список так, чтобы значения, соответствующие одному предмету, складывались, и напечатать получившийся список вместе с итоговым значением:

hammer        9
nail          1350
saw           7
-------------------
total         1366

Вначале напишем функцию, которая читает входные строки и заносит предметы с их количеством в таблицу. Ключом в этой таблице является первое слово строки:

template<class K, class V>
   void readlines(Map<K,V>&key)
   {
     K word;
     while (cin >> word) {
       V val  = 0;
       if (cin >> val)
          key[word] +=val;
       else
          return;
     }
   }

Теперь можно написать простую программу, вызывающую функцию readlines() и печатающую получившуюся таблицу:

main()
{
  Map<String,int> tbl("nil",0);
  readlines(tbl);

  int total = 0;
  for (Mapiter<String,int> p(tbl); p; ++p) {
      int val = p.value();
      total +=val;
      cout << p.key() << '\t' << val << '\n';
  }

  cout << "--------------------\n";
  cout << "total\t" << total << '\n';
}

8.9 Упражнения

  1. (*2) Определите семейство списков с двойной связью, которые будут двойниками списков с одной связью, определенных в \S 8.3.
  2. (*3) Определите шаблон типа String, параметром которого является тип символа. Покажите как его можно использовать не только для обычных символов, но и для гипотетического класса lchar, который представляет символы не из английского алфавита или расширенный набор символов. Нужно постараться так определить String, чтобы пользователь не заметил ухудшения характеристик программы по памяти и времени или в удобстве по сравнению с обычным строковым классом.
  3. (*1.5) Определите класс Record (запись) с двумя членами-данными: count (количество) и price (цена). Упорядочите вектор из таких записей по каждому из членов. При этом нельзя изменять функцию сортировки и шаблон Vector.
  4. (*2) Завершите определения шаблонного класса Map, написав недостающие функции-члены.
  5. (*2) Задайте другую реализацию Map из \S 8.8, используя списочный класс с двойной связью.
  6. (*2.5) Задайте другую реализацию Map из \S 8.8, используя сбалансированное дерево. Такие деревья описаны в \S 6.2.3 книги Д. Кнут "Искусство программирования для ЭВМ" т.1, "Мир", 1978 [K].
  7. (*2) Сравните качество двух реализаций Map. В первой используется класс Link со своей собственной функцией размещения, а во второй - без нее.
  8. (*3) Сравните производительность программы подсчета слов из \S 8.8 и такой же программы, не использующей класса Map. Операции ввода-вывода должны одинаково использоваться в обеих программах. Сравните несколько таких программ, использующих разные варианты класса Map, в том числе и класс из вашей библиотеки, если он там есть.
  9. (*2.5) С помощью класса Map реализуйте топологическую сортировку. Она описана в [K] т.1, стр. 323-332. (см. упражнение 6).
  10. (*2) Модифицируйте программу из \S 8.8 так, чтобы она работала правильно для длинных имен и для имен, содержащих пробелы (например, "thumb back").
  11. (*2) Определите шаблон типа для чтения различных видов строк, например, таких (предмет, количество, цена).
  12. (*2) Определите класс Sort из \S 8.4.5, использующий сортировку по методу Шелла. Покажите как можно задать метод сортировки с помощью параметра шаблона. Алгоритм сортировки описан в [K] т.3, \S 5.2.1 (см. упражнение 6).
  13. (*1) Измените определения Map и Mapiter так, чтобы постфиксные операции ++ и -- возвращали объект Mapiter.
  14. (*1.5) Используйте шаблоны типа в стиле модульного программирования, как это было показано в \S 8.4.5 и напишите функцию сортировки, рассчитанную сразу на Vector<T> и T[].
Дарья Федотова
Дарья Федотова
Сергей Березовский
Сергей Березовский

В рамках проф. переподготовки по программе "Программирование"

Есть курсы, которые я уже прошел. Но войдя в курс я вижу, что они не зачтены (Язык Ассемблера и архитектура ЭВМ, Программирование на С++ для профессионалов). Это как?

Роман Островский
Роман Островский
Украина
Оксана Пагина
Оксана Пагина
Россия, Москва