Estrutura de Dados Sumário 1. Consideraçöes Gerais ............................................................................................................................................... 3 2. Tipos de Dados .......................................................................................................................................................... 3 2.1 3. Primitivos, Estáticos e Dinâmicos ...................................................................................................................... 3 Variáveis.................................................................................................................................................................... 4 3.1 Variáveis Compostas Homogêneas .................................................................................................................... 4 3.2 Variáveis Compostas Heterogêneas ................................................................................................................... 4 3.2.1 Registros ..................................................................................................................................................... 4 4. Tipo Apontador (Ponteiro) ...................................................................................................................................... 5 4.1 Características Gerais........................................................................................................................................ 5 4.2 Ponteiros no Pascal............................................................................................................................................ 5 4.3 Rotinas para Alocação de Memória: ................................................................................................................. 6 4.4 Atribuição de Valores ......................................................................................................................................... 7 4.4.1 Exercícios: .................................................................................................................................................. 8 5. Listas Encadeadas .................................................................................................................................................... 8 5.1 Conceito ............................................................................................................................................................. 8 5.2 Listas Simplesmente Encadeadas ....................................................................................................................... 9 5.2.1 Definiçäo .................................................................................................................................................... 9 5.2.2 Operaçöes Básicas (Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo e Exclusäo) ............................................................... 10 5.2.3 Criando Listas na Memória ...................................................................................................................... 11 5.2.4 Exercícios: ................................................................................................................................................ 14 5.3 Listas Duplamente Encadeadas ....................................................................................................................... 16 5.3.1 Aplicaçäo .................................................................................................................................................. 16 5.3.2 Rotinas ...................................................................................................................................................... 16 5.3.3 Exercícios: ................................................................................................................................................ 18 5.4 Filas.................................................................................................................................................................. 19 5.4.1 Definiçäo .................................................................................................................................................. 19 5.4.2 Aplicaçäo .................................................................................................................................................. 19 5.4.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) ................................................................................................. 20 5.4.4 Exercícios .................................................................................................. Error! Bookmark not defined. 5.5 Pilhas................................................................................................................................................................ 20 5.5.1 Definiçäo .................................................................................................................................................. 20 5.5.2 Aplicaçäo .................................................................................................................................................. 20 5.5.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) ................................................................................................. 20 5.5.4 Exercícios .................................................................................................. Error! Bookmark not defined. 6. 7. Deck ......................................................................................................................................................................... 20 6.1 Definiçäo .......................................................................................................................................................... 20 6.2 Aplicaçäo .......................................................................................................................................................... 20 6.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) ........................................................................................................ 20 6.4 Exercícios ............................................................................................................ Error! Bookmark not defined. Hash ......................................................................................................................................................................... 20 1 8. 9. 7.1 Definiçäo .......................................................................................................................................................... 20 7.2 Aplicaçäo .......................................................................................................................................................... 21 7.3 Operaçöes Básicas (Criaçäo, Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo e Exclusäo) ....................................................... 21 7.4 Exercícios ............................................................................................................ Error! Bookmark not defined. Ávores ...................................................................................................................................................................... 21 8.1 Definiçäo .......................................................................................................................................................... 21 8.2 Árvores Binárias............................................................................................................................................... 22 8.3 Aplicaçäo .......................................................................................................................................................... 22 8.4 Operaçöes Básicas (Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo, Exclusäo, transformaçäo e Caminhamentos) ................ 23 Classificaçäo de Dados ................................................................................................ Error! Bookmark not defined. 9.1 Definiçäo ............................................................................................................. Error! Bookmark not defined. 9.2 Ambiente de Classificaçäo .................................................................................. Error! Bookmark not defined. 9.3 Métodos de Classificaçäo .................................................................................... Error! Bookmark not defined. 9.3.1 Por Inserçäo ............................................................................................... Error! Bookmark not defined. 9.3.2 Por Troca ................................................................................................... Error! Bookmark not defined. 9.3.3 Por Seleçäo ................................................................................................ Error! Bookmark not defined. 9.3.4 Por Intercalaçäo ......................................................................................... Error! Bookmark not defined. 9.3.5 Por Distribuiçäo ......................................................................................... Error! Bookmark not defined. 2 1. Consideraçöes Gerais A automatizaçäo de tarefas é um aspecto marcante da sociedade moderna e na ciência da computaçäo houve um processo de desenvolvimento simultâneo e interativo de máquinas (hardware) e dos elementos que gerenciam a execuçäo automática (software) de uma tarefa. Nesta grande evoluçäo do mundo computacional, um fator de relevante importância é a forma de armazenar as informaçöes, já que, informática é a ciência da informaçäo. Entäo de nada adiantaria o grande desenvolvimento do hardware e do software, se a forma de armazenamento e tratamento da informaçäo näo acompanhasse esse desenvolvimento. Por isso a importância das estruturas de dados, que nada mais säo, que formas otimizadas de armazenamento e tratamento das informaçöes eletronicamente. As estruturas de dados, na sua maioria dos casos, foram espelhadas em formas naturais de armazenamento do nosso dia a dia, ou seja, nada mais säo que a transformaçäo de uma forma de armazenamento já conhecida e utilizada no nosso munda para o mundo computacional. Por isso, cada tipo de estrutura de dados possue vantagens e desvantagens e cada uma delas tem sua área de atuaçäo (massa de dados) ótima. Este curso foi elaborado com o objetivo de introduzir o aluno, que já possua um conhecimento da linguagen Pascal, no mundo das estruturas de dados, bem como mostrar a teoria (conceitos) e a prática (implementaçäo) das estruturas de dados mais utilizadas no dia a dia do profissional de informática. O aluno até aqui, somente teve contato com estruturas de dados estáticas (vetores e matrizes), e deve estar familizarizado com suas facilidades e dificuldades de uso. Agora novas estruturas de dados seräo apresendas, sendo que, todas elas seräo estruturas de dados dinâmicas, ou seja, crescem e diminuem de acordo com a necessidade, veremos que, para isso, seräo necessárias várias rotinas que controlam esta dinamicidade das estruturas. 2. Tipos de Dados A matemática classifica suas variáveis de acordo com as características, distinguindo constantes, equações, conjuntos e funções. Em computação precisamos identificar os tipos de dados que o computador, a linguagem de programação ou mesmo um algoritmo serão capazes de entender. De uma forma geral diferenciamos os tipos de dados pelo conjunto de valores que podem assumir e pelo conjunto de operações que podemos efetuar com eles. Por exemplo, poderíamos definir que fruta é um tipo de dado que pode assumir apenas os valores maçã, pêra, banana e abacaxi, sobre os quais podemos efetuar as operações de comparar, comprar, comer e servir. 2.1 Primitivos, Estáticos e Dinâmicos Podemos separar os tipos de dados em três grupos: primitivos, estáticos e dinâmicos. Os tipos primitivos são aqueles a partir dos quais podemos definir os demais tipos, não importando como são implementados e manipulados. São considerados tipos primitivos números inteiros, números reais, caracteres, lógicos e ponteiros. Esses tipos de dados são os mais frequentes nas linguagens de programação. Cada um desses tipos primitivos tem um conjunto de valores e operações restrito: Inteiro - Representa uma quantidade contável de objetos. Operações: Soma, Subtração, Multiplicação, Divisão, Resto. Exemplos: -45; 2; 1037 Real - Representa um valor que pode ser fracionado. Operações: Soma, Subtração, Multiplicação. Exemplos: -4,78; 1,25; 2,333... 3 Lógico - Representa dois estados. Operações: E, NÃO, OU. Exemplos: [Verdadeiro, Falso];[1,0] Caracter - Representa uma sequência de dígitos, letras e sinais. Operações: Igualdade, Diferença, Concatenação. Exemplos: “A”, “X”, “1”, “+” Ponteiro - Representa o enderenço de um dado na memória. Operações: Igualdade, Diferença, Soma, Subtração, Multiplicação, Divisão. A definição do conceito de tipos estáticos e dinâmicos pode ser feita de forma física ou lógica. Utilizaremos a forma lógica que corresponde ao modo como definimos todas as estruturas de dados. Definimos tipos estáticos de dados como aqueles que têm a estrutura completamente definida antes de começarmos a efetuar operações. O exemplo que sobressai é o de que, definido um tipo estático de dado, ele não poderá conter mais elementos do que o previsto inicialmente. Não só a limitação de elementos torna um tipo de dados estático, como também seus sucessores e antecessores não se modificam (observe que o conteúdo pode ser modificado, mas não as suas posições na memória). Dessa forma a estrutura permanece estática. Um exemplo de estrutura estática é o vetor ( “Array”), que é um agregado homogêneo de dados. Em contrapartida, os tipos dinâmicos de dados são aqueles que sofrem alteração estrutural quando estão sendo manipulados, à medida que ocorrem inserções e retiradas de elementos. Esse tipo de dado não tem tamanho predefinido, só ficando limitado à memória do computador em que se está trabalhando. Do ponto de vista lógico, um tipo dinâmico não tem limitações, porém, como os algoritmos de manipulação dessas estruturas são implentados em computadores, neste texto trataremos as suas limitações físicas. 3. Variáveis 3.1 Variáveis Compostas Homogêneas Correspondem a posições de memória, indentificadas por individualizadas por índices e cujo conteúdo é de mesmo tipo. um mesmo nome, O conjunto de 10 notas dos alunos de uma disciplina pode constituir uma variável composta. A este conjunto associa-se o identificador Nota que passará a identificar não uma única posição de memória, mas 10. A referência ao conteúdo do n-ésimo elemento do conjunto será indicada pela notação NOTA[n], onde n é um número inteiro ou uma variável numérica contendo um valor inteiro. 3.2 Variáveis Compostas Heterogêneas 3.2.1 Registros São conjuntos de dados logicamente relacionados, mas de tipos diferentes (numérico, literal, lógico). 4 4. Tipo Apontador (Ponteiro) Um das características mais marcantes do pascal é permitir a criaçäo e destruiçäo de variáveis durante a execuçäo do programa. O uso dessas variáveis possibilita a implementaçäo das estruturas de dados dinâmicas. Essas variáveis criadas e destruídas durante a execuçäo do programa säo chamadas variáveis dinâmicas. Uma variável dinâmica näo é declarada na parte de declaraçäo de variáveis porque esta ainda näo existe antes do seu tempo de execuçäo, ela näo possui sequer um nome, ficando a cargo dos ponteiros desempenhar esta funçäo de “nome”. Uma variável dinâmica é sempre referenciada indiretamente por um apontador, ou seja, para cada variável dinâmica criada deve existir um apontador, que literalmente aponta para ela, permitindo a sua manipulaçäo. 4.1 Características Gerais Os apontadores säo declarados como as demais variáveis, seguindo a sintaxe da linguagem de programaçäo utilizada. Eles säo variáveis que armazenam o endereço de memórias de outras variáveis, funcionanddo assim, como meio de refrenciar uma variável dinâmica, permitindo o acesso a essa variável. Outra característica dos apontadores é que na sua declaraçäo deve ser indicada qual o tipo de variável este irá armazenar o endereço. A principal funçäo dos ponteiros é permitir a criaçäo e a manipulaçäo das variáveis dinâmicas, as quais iräo compôr as estruturas de dados dinâmicas. 4.2 Ponteiros no Pascal Declaraçäo : a sintaxe de declaraçäo de um tipo ponteiro é o seguinte. type identificador = ^tipo; {onde o símbolo ^ indica que o identificador é um ponteiro} ,isso indica que teremos um ponteiro com o nome de identificacor com a capacidade de armazenar o endereço de memória de uma variável desse tipo. Como os ponteiros säo utilizados para implementar as estruturas de dados dinâmicas, o mais comum é que seja criado um tipo do ponteiro desejado (type) e depois declaramos (var) as variáveis ponteiros deste tipo. Exemplo : type Nome : string[35]; PontNome : ^Nome; var nome1,nome2,nome3 : PontNome; Inicializaçäo : como os ponteiros armazenam endereços de memória, assim que eles säo declarados o seu conteúdo é um valor desconhecido (como as demais variáveis), ou seja, näo podemos prever para qual área de memória este esta apontando, por isso, a linguagem pascal permite que um ponteiro seja inicializado, da seguinte forma : identificador := nil; {nil é um valor constantee pode ser armazenado em uma variável do tipo apontador para indicar que a variável näo contém endereço de memória de nenhuma variável dinâmica } Criaçäo de uma variável dinâmica : para criaçäo de uma variável dinämica é necessário que exista uma variável do tipo apontador para o tipo da variável que se desaja criar, e entäo utilizáse o procedimento new, cuja sintaxe é a seguinte : new(identificador); {onde, identificador deve ser uma variável do tipo ponteiro para o tipo de variável a ser criada} 5 Obs: quando uma variável dinâmica é criada através do procedimento NEW, um espaço de memória do tamanho da variável criada é alocado na memória heap e este espaço ficará alocado até ser liberado. Destruiçäo de uma variável dinâmica : para que o espaço de memória heap seja liberado é necessário que a variável dinâmica seja destruida, isso pode ser feito através do procedimento dispose, utilizando a seguinte sintaxe; dispose(identificador); Referencia a uma variável dinâmica : quando uma variável dinâmica é criada através de uma ponteiro, este pode ser utilizado para referenciá-la, permitindo a manipulaçäo (leitura, atribuiçäo, escrita, etc) desta variável como outra variável qualquer, para isso devemos utilizar o símbolo ^ após o nome da variável do tipo ponteiro: identificador^ * Marcação e liberação de uma área no heap - mark(ponteiro) e release(ponteiro) Ex: program ManipulacaoVariaveisDinamicas; type nome = string[30]; ponteiro = ^nome; var p1, p2 : ponteiro; begin new(p1); new(p2); readln(p1^); p2^ := 'José Maria'; p1^:= p1^ + ' ' + p2^; writeln(p1^); end. 4.3 Rotinas para Alocação de Memória: Rotina : NEW() Função : Aloca espaço na memória para uma informação, com o tamanho definido pelo tipo da variável pointer. Sintaxe : NEW(Variável Pointer) Exemplo: PROGRAM ALOCA; VAR Ap_WORD : ^WORD; BEGIN NEW(Ap_WORD); END. 6 Obs.: No Exemplo acima, após o comando NEW, será alocado na memória HEAP, dois BYTE’s (uma WORD), sendo que poderemos representar a memória como é mostrado abaixo: Ap_WORD ? 4000:3D07 Rotina : DISPOSE() Função : Libera espaço na memória, o número de BYTE’s liberados dependerá do tipo da variável pointer utilizada. Uma vez liberada memória, o valor lá armazenado estará perdido. Sintaxe : DIPOSE(Variável Pointer) Exemplo: PROGRAM LIBERA; VAR Ap_WORD : ^WORD; BEGIN NEW(Ap_WORD); DISPOSE (Ap_WORD); END. Obs.: No Exemplo anterior, após o comando DISPOSE, serão liberado dois (2) BYTE’s devido ao fato de uma WORD ocupar este espaço de memória. 4.4 Atribuição de Valores A Sintaxe para atribuição de valores é a mesma utilizada em variáveis simples, a única diferença é que devemos colocar após o Nome da variável apontadora o símbolo “ ^ “ Exemplo: PROGRAM ATRIBUI; VAR Ap_Número : ^INTEGER; BEGIN NEW(Ap_Número); Ap_Número ^:= 10; DISPOSE (Ap_Número); END. No Exemplo acima ocorre o seguinte: a) Criamos uma variável que irá apontar ara dois (2) BYTE’s (um INTEGER) na memória. b) Alocamos espaço suficiente para armazenar um valor do tipo INTEGER e fazemos com que a variável “Ap_Número” aponte para a posição de memória alocada. Ap_Numero ? 3000:004A c) Colocamos na posição de memória apontada por “Ap_Número” o valor dez (10). 7 d) Liberamos os dois (2) BYTE’s apontados por “Ap_Número”. A informação não mais poderá ser acessada. 4.4.1 Exercícios: 1. Crie um vetor com n elementos, sendo que cada posição do vetor corresponderá a um pointer para um valor do tipo REAL. Faça a leitura de n valores e armazene-os na memória. 2. Crie uma variável pointer do tipo ARRAY[1..20] OF CHAR, faça a leitura de 20 caracteres e os armazene na memória. 3. Percorra o ARRAY definido acima e escreva quantos caracteres “A”, “E”, “I”, “O” e “U” existem no mesmo. 4. Defina um tipo (TYPE) de dado que represente um pointer para um RECORD com os seguintes campos: Nome e Idade. 5. Usando a definição de tipo anterior, crie uma sub-Rotina para ler as informações de uma única pessoa. 6. Defina uma variável como sendo um ARRAY com 10 posições, sendo que cada posição corresponderá aos dados de uma pessoa, conforme definido no item 5. 7. Use a sub-Rotina definida no item 5, para ler o vetor definido no exercício acima. 8. Defina uma variável pointer do tipo matriz N x N, sendo que cada posição desta matriz também será um pointer mas para um valor do tipo WORD. 9. Faça a leitura da matriz definida no item acima. 10. Percorra a matriz acima e escreva os valores existente na diagonal principal. 11. Faça as definições necessárias para obter a seguinte representação de pointer. PAÍS BR ESTADO CIDADE CLIENTE SC FLO CRI ARA PR JAG BNO TUB NOME ENDEREC IDADE O 12. Preencha a estrutura acima com as informações de 12 pessoas. 13. Liste no vídeo o Nome e idade das pessoas que tem idade ímpar. 5. Listas Encadeadas 5.1 Conceito Esta classe de estruturas de dados foi inspirada numa forma de armazenamento bastante comum na nossa vida cotidiana, pois, desde eras bastantes remotas, o homem utiliza-se da idéia de listar coisas com o objetivo de melhor organizá-las. Baseado nesse conceito bastante simples (listagem) a estrutura de dados lista foi concebida, onde, cada elemento da lista armazena uma informaçäo útil e uma, ou mais, referencia(s) para outro elemento (limitaçäo do mundo computacional) e assim por diante, desta forma, com o auxílio dos ponteiros, pode-se acrescentar ou retirar elementos conforme a necessidade. Listas encadeadas geralmente säo utilizadas para criar vetores de extensäo de memória desconhecida, pela sua característica dinâmica, permitindo que o vetor (lista) tenha sempre o tamanho necessário. 8 5.2 Listas Simplesmente Encadeadas 5.2.1 Definiçäo Este tipo de lista é o mais simples e segue as seguintes regras: a. deve exstir um ponteiro que aponte para o primeiro elemento da lista (início da lista); b. cada elemento, ou nó, da lista aponta para o próximo sucessivamente (daí o nome listas encadeadas) c. o último elemento deve apontar para NIL, indicando o final da lista. Agora podemos definir a estrtura básica de um nó da lista Representaçäo gráfica : NÓ Info prox Declaraçäo : type apontador InfoType = ^no; = record campos do registro; end; no = record info : InfoType; prox : apontador; end; ,onde, nó é um registro com dois campos : info e prox, info é um tipo registro do tipo infotype contendo as informaçöes (variáveis) úteis e prox é um ponteiro capaz de armazenar o endereço de memória de um registro do tipo nó (elemento da lista). Graficamente a representação de uma lista simplesmente encadeada seria a seguinte : INICIO NÓ NÓ Info prox Info prox ,onde, INICIO é um ponteiro que guarda o endereço de memória do primeiro elemento da lista. 5.2.2 Aplicaçäo As listas simplesmente encadeadas säo utilizadas quando há necessidade de criar vetores com tamanho variável (dinâmico), sua limitaçäo, é somente permitir, o caminhamento unideirecional na lista, pois, como as referências iniciam no primeiro elemento da lista e seguem unidirecionalmente até o último elemento, näo é possível regressar no caminhamento através da lista. 9 Mesmo com esta limitaçäo, as listas simplesmente encadadas säo largamente utilizadas, pela sua simplicidade de implementaçäo fornecendo um bom índice entre custo/benefício, na gerencia, em memória, de conjuntos de dados näo muito extensos. 5.2.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo e Exclusäo) Como toda estrutura de aramazenamento de dados, as listas simplesmente encadeadas deve suportar as operaçöes de cadastro das informaçöes. Uma particularidade das listas é o fato de apresentarem uma pequena variçäo no código de inclusäo e exclusäo, de acordo com o local onde o novo elemento deverá ser inserido (no início, no meio ou no fim), e ainda assim, está variaçäo pode ocorrer de acordo com os mecanismo de controle utilizados na gerncia da lista, tais como, utilizaçäo de um único ponteiro apontando para o ínicio da lista, ou dois ponteiros, um para o início e outro para o final. As operaçöes de cadastro sobre listas devem tomar o cuidado especial de análisar se o valor do ponteiro para o início é diferente de NIL, pois, se for igual a lista está vazia e certamente as rotinas deveräo efetuar procedimentos especiais. INCLUSÄO - Levando em consideraçäo o uso de um único ponteiro para o início procedure InsereLista (var inicio : ponteiro ; info : InfoType); No início No fim No meio INCLUSÄO - Levando em consideraçäo o uso de dois ponteiros (início e fim). procedure InsereLista (var inicio, fim : ponteiro; info : InfoType); No início No fim No meio (ordenada) PESQUISA - normalmente, usa-se uma funçäo que, se encontrar, retornará o endereço do nó, caso contrário, retornará o valor NIL. function PesquisaLista (inicio : ponteiro ; info : InfoType) : ponteiro; ALTERAÇÄO - utilizando a funcäo de pesquisa, obtem-se o endereço do nó a ser alterado e de posse deste endereço, altera-se os dados deste nó. procedure AlteraLista (inicio : ponteiro ; info : InfoType); EXCLUSÄO - usa-se um procedimento recebendo o início da lista e os dados do nó ser excluído, entäo, através do campo identificado (chave) efetua-se uma pesquisa e localiza-se o nó anterior ao nó a ser excluído, e entäo devemos liberar o espaço alocado para o nó excluído e fazer o seu anterio apontar para o posterior. procedure ExcluiLista (inicio : ponteiro ; info : InfoType); No início 10 No meio No fim 5.2.4 Criando Listas na Memória Para criarmos uma lista, para colocarmos na memória uma seqüência de valores sendo que os mesmos estejam ligados entre si por um endereço, ou pointer, vamos utilizar a estrutura RECORD. Esta RECORD será usada basicamente para definir dois tipos de campos: O primeiro tipo corresponde aos campos de informações, aquelas quereremos armazenar na memória, e o segundo tipo corresponde ao campo apontador (pointer), cuja Função será armazenar o endereço da próxima informação existente na memória. Exemplo: Definir um tipo de dado que permita armazenar na memória as informações de um cliente: Nome, Idade e Sexo. PROGRAM TÁ_FALTANDO_ALGO; TYPE REGISTRO = RECORD Nome : STRING; Idade : BYTE; Sexo : CHAR; Ender : <tipo apontador>; END; BEGIN <comandos>; END. O programa acima não está completo quanto a definição do RECORD, pois um campo chamado “Ender” que não tem o seu tipo definido. Mas então, qual será este tipo? O campo “Ender” deverá ser usado para armazenar o endereço de um a informação na memória que seja do tipo “Registro”, pois é ela que contém a definição dos dados dos clientes. Desta forma, o campo “Ender” deverá ser um tipo apontador de registros. Só que temos um pequeno problema de Sintaxe. Caso façamos a seguinte definição do tipo “Registro”: PROGRAM AINDA_TÁ_ERRADO; TYPE REGISTRO = RECORD Nome : STRING; Idade : BYTE; Sexo : CHAR; Ender : ^Registro; END; BEGIN <comandos>; END. O PASCAL irá acusar um erro de compilação, pois ele precisa que um apontador de estruturas complexas como RECORD’s, tenham que ter definidos um tipo (TYPE) específico para ele, por isso eu necessito definir antes, um tipo que seja um apontador de “Registro. Abaixo é mostrado como isto será feito: 11 PROGRAM OK; TYPE Ap_Registro = ^REGISTRO; REGISTRO = RECORD Nome : STRING; Idade : BYTE; Sexo : CHAR; Ender : Ap_Registro; END; BEGIN <comandos>; END. Pode parecer estranho, definir o tipo “Ap_Registro” como sendo um apontador de registro sendo que o tipo “Registro” ainda não tinha sido definido. Não se assuste, é assim mesmo. Com o tempo você se acostuma. No futuro, quando já tivermos a lista definida criada, a mesma poderá ter a seguinte representação: Nome Idade Sexo Ender Nome Idade Sexo Ender Início Nome Idade Sexo Ender Obs.: Um apontador não pode ficar sem um valor, por isso o apontador do último elemento da lista deverá receber um valor especial do PASCAL, que indica que aquele apontador não aponta para ninguém. Este valor é uma variável pré-definida do PASCAL chamada NIL. Desta forma, a estrutura acima com o uso da variável NIL, terá a seguinte representação: Nome Idade Sexo Ender Nome Idade Sexo Ender Início Nome Idade Sexo Ender Obs.: O termo lista simplesmente encadeada significa que a lista possui somente um apontador para apontar as informações na memória. Exemplo1: Faça um PROGRAMA que armazene o Nome, idade, e sexo de uma pessoa em uma estrutura simplesmente encadeada na memória. 12 PROGRAM LISTA_ENCADEADA; USES CRT; TYPE Ap_Nodo = ^Nodo Nodo = RECORD Nome : STRING; Idade : BYTE; Sexo : CHAR; Prox : Ap_Nodo; END; VAR Raiz : Ap_Nodo; BEGIN NEW(RAIZ) WRITE (‘Digite o Nome : ‘); READLN (RAIZ^.Nome); WRITE (‘Digite o Idade : ‘); READLN (RAIZ^.Idade); WRITE (‘Digite o Sexo : ‘); READLN (RAIZ^.Sexo); RAIZ^.Prox := NIL; END. Exemplo 2: Aproveitando a lista criada no Exemplo anterior, crie uma sub-Rotina que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente esta pessoa no início da lista. PROCEDURE Inclui_Inicio_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Novo_Nodo^.Prox := Raiz; Raiz := Novo_Nodo; END. Exemplo 3: Aproveitando a lista criada no Exemplo anterior, crie uma sub-Rotina que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente esta pessoa na lista, de forma que a mesma seja a segunda da lista. PROCEDURE Segunda_Posição_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Novo_Nodo^.Prox := Raiz^.Prox; Raiz^.Prox := Novo_Nodo; END. 13 Exemplo 4: Faça uma sub-Rotina genérica que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente a mesma no final da lista. PROCEDURE Inclui_Final_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo, Atual : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Novo_Nodo^.Prox := NIL; Atual := Raiz; WHILE Atual^.Prox <> NIL DO Atual := Atual^.Prox; Atual^.Prox := Novo_Nodo; END. Exemplo 5 : Faça uma sub-Rotina genérica que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente a mesma em uma lista. No Inicio, considere a lista com o valor NIL. As pessoas serão incluídas sempre no final da lista. PROCEDURE Inclui_Final_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo, Atual : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg Novo_Nodo^.Prox := NIL; IF RAIZ = NIL THEN Raiz := Novo_Nodo ELSE BEGIN Atual := Raiz; WHILE Atual^.Prox <> NIL DO Atual := Atual^.Prox; Atual^.Prox := Novo_Nodo; END; END. 5.2.5 Exercícios: 1. Faça uma sub-Rotina que conte quantos elementos existem em uma lista simplesmente encadeada. 2. Faça uma sub-Rotina que verifique se uma determina pessoa existe na lista. A consulta pode ser feita pelo Nome da pessoa. Use a lista definida nos exemplos anteriores. 3. Faça uma sub-Rotina que elimine o primeiro elemento da lista se o mesmo existir. 4. Faça uma sub-Rotina que elimine o segundo elemento da lista se o mesmo existir. 5. Faça uma sub-Rotina que elimine o ultimo elemento da lista se o mesmo existir. 14 6. Faça uma sub-Rotina genérica que elimine um determinado elemento de uma lista. Deverá ser fornecido o número do elemento a ser eliminado. Pode ser que a lista não contenha este elemento. Por Exemplo, a lista tem 10 nodos e deseja-se eliminar o nodo de número 11. 7. Faça uma sub-Rotina que permita a inclusão de um elemento na lista em uma determinada posição. A sub-Rotina deverá receber a lista, a informação e a posição em que a nova informação será incluída. Caso a posição seja maior que o número de elementos existentes na lista, a mesma deverá ser incluída no final. Considere a possibilidade da lista, no início estar vazia. 8. Faça uma sub-Rotina para ordenar uma lista de números inteiros em ordem crescente. Antes de construir a Rotina, faça a definição do tipo da lista: RECORD e tipo apontador. 9. Faça a definição de um ou mais tipos que possam no futuro criar uma lista como a que é mostrada abaixo: Fornecedor Nome Prod Prox Nome Prod Prox Nome Prod Prox Nome Quant Seg Nome Quant Seg Nome Quant Seg Nome Quant Seg Nome Quant Seg Nome Quant Seg 10. Faça uma sub-Rotina genérica para incluir um novo produto na lista de produtos de um fornecedor qualquer. Os parâmetros de entrada serão as informações do produto e a lista dos produtos de cada fornecedor (Fornecedor^.Prod). A inclusão de novo produto se dará sempre no final da lista de produtos. 11. Faça uma sub-Rotina genérica para incluir um novo fornecedor na lista de fornecedores. A inclusão se dará sempre no final da lista. Faça uma sub-Rotina genérica que inclua um produto para um determinado fornecedor. Os parâmetros de entrada serão: A lista de fornecedores, as informações do produto e as informações do fornecedor, que terá incluído no seu campo “Prod” este novo produto. A Rotina deverá antes de mais nada percorrer a lista de fornecedores até achar o fornecedor cujo Nome combine com o Nome passado como parâmetro. Só após é que será feito o processo de inclusão do novo produto. Caso o fornecedor não exista na lista, o mesmo deverá antes de tudo ser incluído na lista de fornecedores, para só então ter o produto incluído no seu corpo “Prod”. Use também as Rotinas criadas nos itens 10 e 11. 12. Faça uma agenda eletrônica que utilize os seguintes campos : código, nome, endereço, telefone e uma observaçäo, que permita todas as operaçöes de cadastro (inclusäo, consulta, alteraçäo e exclusäo). Esta agenda deverá utilizar listas simplesmente encadeadas, onde, as informaçöes, deveräo ser carregadas e salvas em arquivos, da seguinte maneira, quando o programa agenda for carregado, este deverá carregar o arquivo em disco para uma lista em memória, e quando o programa for encerrado, a lista deverá ser descarregada no arquivo em disco. 15 5.3 Listas Duplamente Encadeadas Continuado o estudo de listas encadeadas, apresentamos agora uma nova estrutura conhecida como lista duplamente encadeada. Este termo é dado pelo fato de existir dois endereços (pointers) que apontam para nodos da mesma lista, isto é, um endereço aponta para o nodo imediatamente posterior e outro endereço aponta para o nodo imediatamente anterior, isto com exceção do primeiro e do último nodo, cujos endereços posterior e antecessor são respectivamente NIL. Abaixo está uma figura representando este tipo de lista encadeada na memória 5.3.1 Aplicaçäo Aplicaçäo das listas duplamente encadeadas é semelhante as listas simplesmente encadeadas, mas aquela é mais apropriada, quando há a necessidade de caminhamento em ambos os sentidos, isso faz com que, novas sub-rotinas sejam utilizadas nas listas duplamente encadeadas, tais como : Anterior, Posterior. 5.3.2 Rotinas Abaixo colocaremos exemplos de Rotinas para criação de listas duplamente encadeada na memória. Exemplo1: Faça um algoritmo que armazene o Nome, idade e sexo de uma pessoa em uma estrutura duplamente encadeada na memória. Lista PROGRAM LISTA_ENCADEADA; USES CRT; TYPE Ap_Nodo = ^Nodo Nodo = RECORD Nome : STRING; Idade : BYTE; Sexo : CHAR; Ant, Prox : Ap_Nodo; END; VAR Raiz : Ap_Nodo; BEGIN NEW(RAIZ) WRITE (‘Digite o Nome : ‘); READLN (RAIZ^.Nome); WRITE (‘Digite o Idade : ‘); READLN (RAIZ^.Idade); WRITE (‘Digite o Sexo : ‘); READLN (RAIZ^.Sexo); RAIZ^.Ant := NIL; 16 RAIZ^.Prox := NIL; END. Exemplo 2: Aproveitando a lista criada no Exemplo anterior, crie uma sub-Rotina que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente esta pessoa no início da lista. PROCEDURE Inclui_Inicio_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Novo_Nodo^.Ant := NIL; Novo_Nodo^.Prox := Raiz; Raiz^.Ant:= Novo_Nodo; Raiz := Novo_Nodo; END. Exemplo 3: Aproveitando a lista criada no Exemplo anterior, crie uma sub-Rotina que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente esta pessoa na lista, de forma que a mesma seja a segunda da lista. PROCEDURE Segunda_Posição_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo, Aux : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Aux := Raiz^.Prox; Novo_Nodo^.Prox := Aux; Novo_Nodo^.Ant := Raiz; Raiz^.Prox := Novo_Nodo; IF Aux <> NIL THEN Aux^.Ant := Novo_Nodo; END. Exemplo 4: Faça uma sub-Rotina genérica que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente a mesma no final da lista. PROCEDURE Inclui_Final_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo, Atual : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg; Novo_Nodo^.Prox := NIL; Atual := Raiz; WHILE Atual^.Prox <> NIL DO 17 Atual := Atual^.Prox; Atual^.Prox := Novo_Nodo; Novo_Nodo^.Ant := Atual; END. Exemplo 5 : Faça uma sub-Rotina genérica que recebendo como parâmetro as informações de uma pessoa, acrescente a mesma em uma lista. No Inicio, considere a lista com o valor NIL. As pessoas serão incluídas sempre no final da lista. PROCEDURE Inclui_Final_da_Lista (Var Raiz : Ap_Nodo; Reg: Nodo); VAR Novo_Nodo, Atual : Ap_Nodo; BEGIN NEW ( Novo_Nodo); Novo_Nodo^:= Reg Novo_Nodo^.Ant := NIL; Novo_Nodo^.Prox := NIL; IF RAIZ = NIL THEN Raiz := Novo_Nodo ELSE BEGIN Atual := Raiz; WHILE Atual^.Prox <> NIL DO Atual := Atual^.Prox; Atual^.Prox := Novo_Nodo; Novo_Nodo^.Ant := Atual; END; END. 5.3.3 Exercícios: 1. Faça uma sub-Rotinas que elimine o primeiro elemento da lista, se o mesmo existir. 2. Faça uma sub-Rotinas que elimine o segundo elemento da lista, se o mesmo existir. 3. Faça uma sub-Rotina que elimine o último elemento da lista, se o mesmo existir. 4. Faça uma sub-Rotina genérica que elimine um determinado elemento de uma lista. Deverá ser fornecido o número do elemento a ser eliminado. Pode ser que a lista não contenha este elemento. Por Exemplo, a lista tem 10 nodos e deseja-se eliminar o nodo de número 11. 5. Faça uma sub-Rotina que permita a inclusão de um elemento na lista em uma determinada posição. A sub-Rotina deverá receber a lista, a informação e a posição em que a nova informação será incluída. Caso a posição seja maior que o número de elementos atualmente existentes na lista, a mesma deverá ser incluída no final. Considere a possibilidade da lista no início estar vazia. 6. Faça uma sub-Rotina para ordenar uma lista de números inteiros em ordem crescente. Antes de construir a Rotina, faça a definição do tipo da lista: RECORD e o tipo apontador. 7. Aproveitando a lista ordenada no exercício anterior, faça uma sub-Rotina genérica para listar o conteúdo da lista em ordem crescente. 8. Aproveitando a lista ordenada no exercício anterior, faça uma sub-Rotina genérica para listar o conteúdo da lista em ordem crescente. 18 9. Faça as definições de tipo necessárias para criar, no futuro, uma estrutura na memória como a que é representada na figura abaixo: A B NIL C D NIL ... Z Obs.: a) Dicionário é um vetor ( de “A” até “Z”) de pointers para uma estrutura duplamente encadeada onde além dos campos “Prox” e “Ant” , existem mais dois campos STRING os quais representam a palavra e o seu significado. b) A lista de palavras que estão ligadas ao índice “A” do vetor, correspondem aquelas palavras que iniciam com a letra “A”, e assim por diante. 10. Usando a definição feita no exercício anterior, faça uma sub-Rotina para inclusão de uma palavra e o seu significado no dicionário de palavras. Lembre-se que a palavra e o seu significado não devem ser incluídas em qualquer lista de forma aleatória, a inclusão dever ser feita somente na lista cujo índice do vetor corresponde à primeira letra da palavra. Desta forma, caso a palavra, fosse “Cavalo”, esta palavra, junto com o seu significado, deveriam ser incluídos na lista existente no índice “C” do vetor. 11. Utilizando a agenda criada anteriormente, acrescente a possibilidade de navegaçäo (para frente e para traz) na rotina de pesquisa. 5.4 Filas 5.4.1 Definiçäo Uma fila é uma lista linear de informaçäo que é acessada na seguinte ordem, o “primeiro que entra, primeiro que sai” (FIFO). Uma fila näo permite acesso a um elemento que náo seja o primeiro. 5.4.2 Aplicaçäo Normalmente as filas säo utilizadas na administraçäo de recursos compartilhados, impondo uma prioridade por ordem de chegada. Um bom exemplo säo as filas de impressäo, onde, cada documento espera sua vez para ser impresso. 19 5.4.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) Existem, basicamente, duas operaçöes básicas a serem implementadas na filas : adicionar e remover. É comum a utilizaçäo de um ponteiro para o início e outro para o fim da fim, facilitando assim as operaçöes. Adicionar - procedure adiciona (var inicio : ponteiro ; info : InfoType); Remover - function remove (var inicio : ponteiro) : InfoType; 5.5 Pilhas 5.5.1 Definiçäo Análogo à estrutura fila, a estrutura pilha também pré-define a posiçäo de inserçäo e remoçäo dos elementos, sendo que, a estratágia é “último que entra, primeiro que sai” (LIFO) 5.5.2 Aplicaçäo Um bom exemplo da apliçäo das pilhas é a gerencia das chamadas as sub-rotinas utilizadas pela maioria dos compiladores das linguagens de programaçäo. 5.5.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) Por razöes históricas, as duas operaçöes primárias de pilha - inserçäo e retirada - säo normalmente chamadas de push e pop, respectivamente. Assim para implementar uma pilha säo necessärias duas funçöes : PUSH - coloca um elemento no topo da pilha procedure push (var inicio : ponteiro; info : InfoType); POP - retira um elemento do topo da pila function pop (var inicio : ponteiro) : InfoType; 6. Deck 6.1 Definiçäo Esta estrutura de dados é uma uniäo das pilhas e filas, ou seja, só é permitido, manipular os elementos das extremidades. 6.2 Aplicaçäo 6.3 Operaçöes Básicas (Inclusäo e Exclusäo) Pode-se inserir e retirar no início e no fim. 7. Hash 7.1 Definiçäo A estrutura de dados HASH é largamente utilizada para organizaçäo dos arquivos em discos nos banco de dados, veremos aqui, uma particularidade do HASH utilizada em memória para melhorar o tempo de busca de elementos armazenados em listas encadeadas. A idéia básica é criar uma série de sub-listas no lugar de uma única lista maior. A partir da aplicaçäo de uma determinada funçäo (chamada funçäo de hashing) sobre aa chave de busca do elemento, decide-se em qual das sub-listas o elemento deve ser ou estar armazenado. Procede-se, 20 entäo, uma busca na sub-lista determinada. Portanto, ao invés de realizar a busca em toda a lista, faz-se uma busca num subconjunto da lista. Assim, consegue-se uma busca eficiente, embora os elementos näo fiquem dispostos ordenadamente, o hash pemite uma melhora na eficiência da localizaçäo idividual dos elemento em relaçäo as listas. A questäo principal é escolher uma funçäo de hashing adequada para garantir uma distribuiçäo uniforme dos elementos nas sub-listas, pois existe uma variedade enorme nas funçöes de hashing. Os ponteiros iniciais de cada sub-lista säo dispostos num vetor. O número de sub-listas, isto é, a dimensäo deste vetor, define o tamanho da chamada tabela de hash. A forma mais comum da funçäo hashing é a aplicaçäo, no campo chave de ordenaçäo, da funçäo módulo pelo tamanho da hash table e o resultado desta operaçäo indica qual a sub-lista do elemento. Caso o campo chave de ordenaçäo näo seja numerico, pode-se utilizar artifícios para transformá-lo em um campo numeriro e, entäo, aplicar a funçäo hashing. 7.2 Aplicaçäo Como vimos, o hash é utilizado para buscar uma melhor eficiência na busca de elementos. Este tipo de hash em memória é muito utilizado nas implementaçöes das tabelas de símbolos dos compiladores das linguagens de programaçäo. 7.3 Operaçöes Básicas (Criaçäo, Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo e Exclusäo) 8. Ávores 8.1 Definiçäo Ávores säo estruturas de dados essencialmente dinâmicas, permitindo a inserçäo, pesquisa e destruiçäo de elementos. Árvores trazem, implicitamente, a idéia de hierarquia, por isso säo estruturas de dados muito utilizadas em gerenciamento de arquivos e validaçäo de expressöes. Uma árvore pode ser definida de várias formas. Talvez, a maneira mais natural é definí-las recursivamente. Assim, uma árvore é composta por um conjunto de nós. Existe um nó denominado raiz, que contém zero ou mais sub-árvores e cada sub-árvore pode ser considerada uma árvore. DESENHO ÁRVORE GENÉRICA (liastas de filhos): Estrutura do nó (com grau pré-definido e com grau inderterminado) Nomenclatura : Raiz - é o nó de mais alto nível da árvore (primeiro nó da árvore). Nível - o número de nós que vai da raiz até um determinado nó. Grau - o número de sub-árvores de um nó Folha - nó com grau igual a zero Altura - nível mais alto da árvore Pai - a raiz de uma sub-árvore é pai das raizes de suas sub-árvores Filho - os nós raizes de uma sub-arvores é filho da raiz da árvore Irmäo - nós raízes das sub-árvores säo irmäos 21 8.2 Árvores Binárias Säo árvores onde cada nó tem no máximo dois filhos (grau máximo 2). Com isto, obtém-se uma estrutura apropriada para busca binária. Outra área onde estas estruturas säo muito utilizdas é na validaçäo de expressöes. Isto porque um operador relaciona apenas um ou dois operandos. Uma propriedade importante de árvores binárias é que possuem profundidade (altura) bastante inferior ao núnero de nós. ( comentar inserçäo em ordem) 8.3 Aplicaçäo A aplicaçäo mais importante das árvores binárias é seu uso em busca binária. A cada nó da árvore associa-se uma chave que permite a realizaçäo de uma ordenaçäo. A Construçäo da árvore deve ser de tal forma que na sub-árvore à esquerda de uma dada daiz só existam nós com chaves menores que a chave da raiz. E a sub-árvore à direita só pode conter nós com chaves maiores que a da raiz. Com esta estruturaçäo, a busca de um determinado nó na árvore torna-se trivial, através do uso da recursidade. 22 8.4 Operaçöes Básicas (Inclusäo, Pesquisa, Alteraçäo, Exclusäo, transformaçäo e Caminhamentos) Definiçäo do nó type ponteiro = ^no; no = record dado : byte; dir, esq : ponteiro; end; Inclusäo function Pesquise( var raiz : ponteiro; dadoaux : byte) : ponteiro; begin if raiz = nil then Pesquise := nil else begin if raiz^.dado = dadoaux then Pesquise := raiz else begin if raiz^.dado < dadoaux then pesquise := pesquise(raiz^.dir,dadoaux) else pesquise:= pesquise(raiz^.esq,dadoaux) end; end; end; procedure InsereArvore( var raiz : ponteiro; dadoaux : byte); begin if raiz = nil then begin new(raiz); raiz^.dado:= dadoaux; raiz^.esq := nil; raiz^.dir := nil; end else begin if dadoaux < raiz^.dado then InsereArvore(raiz^.esq,dadoaux); if dadoaux > raiz^.dado then InsereArvore(raiz^.dir,dadoaux) end; end; 23 Alteraçäo - efetua-se uma pesquisa e em seguida faz-se a alteraçäo Exclusäo - Para a remoçäo de um nó de uma árvore deve-se levar em consideraçäo que seus filhos devem continuar na árvore e esta deverá continuar ordenada (menor a esquerda maior a direita). E entäo caímos em três possibilidades que devem ser tratadas separadamentes, afim de manter o estrutura da árvore binária. Sendo elas : 1. Quando o nó a ser excluído näo contenha filhos 2. Quando o nó a ser excluído contenha somente um dos filhos 3. Quando o nó a ser excluído contenha os dois filhos procedure Substitui( raiz : ponteiro; var sucessor : ponteiro); var ptr : ponteiro; begin if sucessor^.esq = nil then begin raiz^.dado := sucessor^.dado; ptr := sucessor; sucessor := sucessor^.dir; dispose(ptr); end else Substitui(raiz,sucessor^.esq); end; 24 procedure RemoveRaiz(var raiz : ponteiro; dadoaux : byte); var ptr : ponteiro; begin if raiz <> nil then begin if raiz^.dado = dadoaux then begin if raiz^.esq = nil then begin ptr := raiz; raiz := raiz^.dir; dispose(ptr); end else begin if raiz^.dir = nil then begin ptr := raiz; raiz := raiz^.esq; dispose(ptr); end else Substitui(raiz,raiz^.dir); end; end else if raiz^.dado < dadoaux then RemoveRaiz(raiz^.dir,dado) else RemoveRaiz(raiz^.esq,dado); end; end; 25