Datastructuren en algoritmen - NLDA-TW

Datastructuren en algoritmen
Doelstelling
Datastructures + algorithms = programs
Boek van Niklaus Wirth: bedenker Pascal en Modula
Datastructuur: structuur om informatie op te slaan
Algoritme: voorschrift om berekening uit te voeren
Goede kennis van belangrijke datastructuren en algoritmen
is nodig om zelf goede programma’s te kunnen schrijven
Helpt bij het herkennen van de juiste datastructuur en het
juiste algoritme om je probleem op te lossen.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
1
Datastructuren en algoritmen
Onderwerpen
Overzicht belangrijke datastructuren en algoritmen
- Datastructuren: arrays, lijsten, bomen, expressies, etc
- Algoritmen: sorteren, herkennen, datastructuur
gerelateerd
Overzicht belangrijkste Object-georienteerde technieken
zoals:
-
klassen en objecten
inheritance en toepassingen
polymorfisme
dynamische binding
gebruik van de standaard bibliotheek Java
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
2
Toepassingen
-
tekenprogramma
chatapplicatie: client server programma
toepassingen in C2
Werkwijze
Leren door te doen, dus accent op de opdrachten.
Studie materiaal
Boek(en)
sheets
Toetsing
opdrachten
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
3
Object-georiënteerd programmeren
Objectgeoriënteerd programmeren is gebaseerd op data en
operaties op deze data.
• Het gedrag van een object is volledig beschreven door de
operaties die op het object van toepassing zijn
(abstractie).
• Kennis van de implementatiedetails van een object zijn
niet nodig om een object te kunnen begrijpen/gebruiken
(inkapseling).
• Je kunt klassen gebruiken om nieuwe klassen vanaf te
leiden (overerving/inheritance)
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
4
Voordelen van het gebruik van klassen
• Klassen zijn goede bouwblokken: Je kunt klassen
eenvoudig samenstellen tot grotere systemen.
• Een (goede) klasse kan in isolement begrepen worden
(dus zonder kennis te nemen van andere klassen). Een
klasse is dus een afgerond geheel.
• De implementatie van een klasse kan gewijzigd worden
zonder gevolgen voor de gebruiker van de klasse, zolang
de interface van de klasse niet gewijzigd wordt.
• Klassen vormen vaak een directe afspiegeling van
entiteiten uit het probleemdomein.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
5
Klassen en Objecten
Object
Geintegreerde eenheid van:
• data (opgeslagen in toestandsvariabelen)
• methoden/operaties (functies werkend op de data)
Eigenschappen van Objecten
• Ze kunnen dynamisch gecreëerd worden
• Hun interne toestand kan veranderen
• Ze bieden hun data bescherming
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
6
Object-georienteerd programma
Alleen maar objecten, die door boodschappen te sturen
(aanroepen operaties) informatie uitwisselen.
Het ene object stuurt een boodschap naar het andere
object dooreen methode van dat andere object aan te
roepen.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
7
Object-georienteerd programma
Nodig:
een variabele met een referentie naar dat andere
object
v1 = v2.n2(p); Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
8
Klassen
Ieder object is een instantie van een bepaalde klasse.
Objecten uit dezelfde klasse hebben dezelfde:
- namen en typen van velden
- operaties die aangeroepen kunnen worden
Een klasse dient als blauwdruk om nieuwe objecten te
creëren.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
9
Voorbeeld: Een grafisch tekenprogramma
Verschillende voorwerpen waarop dezelfde operaties
moeten worden gedaan:
Figuren: cirkels, lijnen, rechthoeken, driehoeken
Operaties:
• transleren
• vervormen (resizen)
• tekenen in verschillende kleuren en dikten
• groeperen van figuren (je kunt nu operaties op een groep
uitvoeren)
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
10
Objecten en klassen
Eisen aan een objectgeoriënteerde programmeertaal
1
Niet (meer) gebruikte objecten moeten automatisch
opgeruimd worden (automatic garbage collection).
2
Ieder niet standaard type komt overeen met een klasse
en vice versa (integer, boolean etc. zijn standaard
typen).
3
Inheritance: Een klasse mag gedefinieerd worden als
een uitbreiding of een beperking van een andere klasse.
4
Polymorfisme en dynamische typering/binding: Het
moet mogelijk zijn vanuit een programma verwijzingen
(variabelen) te hebben die bij objecten van
verschillende klassen kunnen behoren en waarbij de
uitvoering van een operatie afhangt van de klasse
waartoe het object behoort.
5
Multiple Inheritance: Het moet mogelijk zijn een klasse
te laten erven van meer dan één klasse en ook
meerdere keren van één klasse.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
11
Objecten en klassen
Hoe zit het met Java en C++ mbt deze eisen?
Java voldoet aan alle eisen behalve aan 5. Er zijn in Java
echter andere mechanismen die multiple inheritance heel
dicht benaderen.
C++ is geen pure objectgeoriënteerde taal en heeft ook
geen automatic garbage collection. C++ heeft echter wel
multiple inheritance. Dus C++ voldoet aan: 3, 4 en 5.
Verder heeft C++ de mogelijkheid van operatoroverlading.
Het is mogelijk de optelling (+) en vermenigvuldiging (*) te
herdefiniëren voor bv. matrices. Dit leidt tot zeer elegante
programma’s.
C++ heeft zeer veel features, die de taal zeer krachtig
maken, maar aan de andere kant leiden tot het makkelijk
maken van programmeerfouten.
C++ was in jaren 80 en 90 heel populair maar is een
moeilijke taal om mee te werken. Java is tegenwoordig
populairder.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
12
Wat is Java?
Java programma’s worden gecompileerd naar zgn.
bytecode.
Bytecode is een machineonafhankelijk tussenformaat.
Voor ieder platform waar je je Java programma wil draaien
moet er een zgn. bytecode-interpreter zijn. Dit wordt ook wel
een Java virtuele machine (JVM) genoemd.
De bytecode-interpreter voert nu de bytecodeopdrachten uit.
Alle moderne internetbrowsers zoals: Chrome, FireFox en
Explorer hebben een ingebouwde bytecode-intepreter (Java
plugin). Het is dus mogelijk vanuit deze browsers
Javaprogramma’s (applets) te draaien. Java applets worden
steeds minder gebruikt. JavaScript is tegenwoordig de taal
om client-side processing te doen.
Veel bytecodeinterpreters bevatten tegenwoordig een justin-time(JIT) compiler. Dit betekent dat de bytecode tijdens
het interpreteren wordt doorvertaald naar machinecode.
Hierdoor wordt de efficiëntie flink verhoogd!
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
13
Klassen in Java: Persoonklasse
class Persoon {
private String naam;
private int leeftijd;
public Persoon(String n, int l)
leeftijd = l;
naam = n;
}
{
public String toString() {
return (naam + "\n" + leeftijd);
}
public void setLeeftijd(int l)
leeftijd = l;
}
{
}
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
14
Klassen in Java: Gebruik van de klasse Persoon
class Main {
static public void main (String args[])
Persoon p = new Persoon("Piet",25);
System.out.println(p. toString());
p.setLeeftijd(26);
System.out.println(p. toString());
}
}
{
Opgave Pas nu de methode setLeeftijd zo aan dat alleen
een hogere leeftijd geaccepteerd wordt.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
15
Klassen in Java: Persoon Frame – demo in Netbeans
De klasse persoon hoeft hiervoor niet te worden aangepast.
We maken nu in Netbeans bovenstaande applicatie.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
16
Klassen en typering
Iedere klasse correspondeert met een type.
Het belang van typering?
• Typering dwingt objecten slechts element te zijn van één
klasse => objecten van verschillende klassen kunnen niet
verwisseld worden (of alleen onder speciale condities)
• Typering biedt de mogelijkheid om al tijdens vertalen een
gedeelte van de correctheid van het programma te
controleren
• Vooral voor grote systemen is (sterke) typering een
absolute voorwaarde om tot de realisatie van correcte
systemen te komen
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
17
Klassen en Typering
We onderscheiden: ongetypeerde, zwak en sterk
getypeerde talen.
Java, Amanda, Clean, Haskell en ook bv. C++ zijn sterk
getypeerd. => iedere variabele of parameter heeft één type.
Objecten van verschillend type mogen niet verwisseld
worden (behoudens type conversie). Er is volledige
typecontrole tijdens vertalen.
Zwak getypeerde taal: wel typen, maar geen garantie voor
correcte foutmeldingen als entiteiten in foute context worden
gebruikt. Deel van de typecontrole wordt uitgesteld tot
‘uitvoering van het programma (dynamische typering).
Voorbeeld: PHP, JavaScript
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
18
Klassen en Typering
Voordelen van een sterk getypeerde taal
• zonder typecontrole kan systeem op mysterieuze wijze
vastlopen
• vroege detectie van typefouten bespaart veel tijd in edit compile - debug cyclus
• typering is vorm van documentatie
• veel compilers genereren efficiëntere code door sterke
typering
In Java moet het type van iedere functie, variabele of
parameter van te voren worden aangegeven in de declaratie
ervan.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
19
Gedrag van objecten
Enige manier om een object te benaderen is het sturen van
boodschappen naar dat object.
Reactie op boodschap:
• toestand wijzigen
• zelf boodschappen naar andere objecten sturen.
• resultaat teruggeven
Samen noemen we dit het gedrag van een object.
We onderscheiden verschillende soorten operaties
• modifier: verandert toestand een object
• selector: laat toestand ongewijzigd, maar geeft informatie
terug
• constructor: creëert een object
• destructor: vernietigt een object (gaat in Java
automatisch)
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
20
Relaties tussen objecten
1
2
Gebruiks- (using) relaties
Bevat-(containing, aggregatie) relaties
Gebruiksrelaties
• Object wordt gebruikt door ander object (maakt er geen
deel van uit)
Soorten objecten in gebruiksrelaties:
• Actor: maakt gebruik van diensten andere objecten, maar
wordt zelf nauwelijks gebruikt
• Server: Verleent diensten aan andere objecten en gebruikt
zelf geen andere objecten
• Agent: maakt gebruik van diensten van andere objecten
en wordt zelf regelmatig gebruikt door andere objecten
Bevat-relaties
Containing relatie: object opgebouwd uit andere objecten
(maken er deel van uit).
Bevatte object alleen zichtbaar voor bevattende object.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
21
Overzicht Java
import
: importeren van andere klassen vgl. uses
void
: letterlijk leeg
{
: begin resp. eind van een syntactisch blok
vergl. begin .. end
;
A:
}
: afsluiter van een statement
een assignment levert een waarde op:
x = y = 0;
betekent:
y = 0;
x = y;
B:
verschil tussen
= (toekenning)
en
== (vergelijking)
if (x == 1)
a = b;
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
22
C:
werking van
++ (ophoging)
en
-- (verlaging)
hangen af van plaatsing
if (++ x == 1)
...
if (x ++ == 1)
...
/* eerst ophogen */
/* eerst vergelijken */
void
main
{ ... }
int
char
string
while (conditie)
statement;
if (conditie)
statement;
for (statement; conditie; statement)
statement;
for (elem : var)
return ...;
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
23
Datastructuren
Een klasse kan gebruikt worden voor het realiseren van een
zgn. datastructuur.
Het werken met datastructuren maakt programmeren veel
overzichtelijker waardoor programma’s beter onderhoudbaar
worden.
Voorbeeld de Stack
Een stack (stapel) wordt gebruikt om gegevens in op te
slaan.
De volgende operaties zijn van toepassing op een stack:
Push:
Pop:
Top:
IsEmpty:
Voeg waarde toe aan bovenkant stack
Verwijder bovenste element stack
Geef waarde bovenste element stack
Is de stack leeg?
Een stapel kan gebruikt worden om een zgn. postfixexpressie te evalueren.
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
24
Abstracte Datastructuren Infix en PostFix
Infix
2+3
6 * (8 - 9)
(5 + 2) * (6 + 7)
Postfix
23+
689-*
52+67+*
Bij postfix geen haken nodig! PostFix expressie kan
eenvoudig door computer verwerkt worden mbv. een stack :
23+
2
3
2
+
3
2
5
Oefening Evalueer 6 8 9 - * en 5 2 + 6 7 + *
Infix naar postfix kan ook mbv een stack
• Werk infix af van links naar rechts
• Kopieer getal steeds direct naar resultaat
• Plaats operatie op hulp stack, maar verwijder eerst alle
operatoren die er al op staan met hogere prio en zet
deze in resultaat. Een ( telt als operatie met lage prio
• Bij ) verwijder alle operaties tot je de ( tegen komt
• Op eind plaats alle over gebleven operaties terug
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
25
1. Abstracte Datastructuren
Implementatie Stack (van Integers)
class StackInt {
public StackInt()
{
elems=new int[100];
top=-1;
}
public void push(int i)
top++;
elems[top]=i;
}
{
public int pop()
{
return elems[top--];
}
private int[] elems;
private int top;
}
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
26
Opgave
Voeg een functie isEmpty aan Stack die true teruggeeft als
de stack leeg is en anders false.
Implementeer een grafische postfix calculator mbv een
stack. Gebruik hiervoor de HP35 als voorbeeld:
http://www.hpmuseum.org/simulate/hp35sim/hp35sim.htm
Data Structuren en Algoritmen - week 1
oktober 2014
27