C4 data structures

©2004,HOÀNGMINHSƠN
Chương1
Kỹ thuật lập trình
010101010101010110000101010101010101011000010101010101010101100001
010101010010101010010101010101001010101001010101010100101010100101
101001100011001001001010100110001100100100101010011000110010010010
110010110010001000001011001011001000100000101100101100100010000010
010101010101010110000101010101010101011000010101010101010101100001
010101010010101010010101010101001010101001010101010100101010100101
101001100011001001001010100110001100100100101010011000110010010010
110010110010001000001011001011001000100000101100101100100010000010
010101010101010110000101010101010101011000010101010101010101100001
010101010010101010010101010101001010101001010101010100101010100101
101001100011001001001010100110001100100100101010011000110010010010
110010110010001000001011001011001000100000101100101100100010000010
9/8/2006
y = A*x + B*u;
x = C*x + d*u;
StateController
start()
stop()
LQGController
start()
stop()
Chương 4: Khái quát về cấu
trúc dữ liệu

2
Chương 4: Khái quát về cấu trúc dữ liệu
Nội dung chương 4
4.1 Cấu trúc dữ liệu là gì?
4.2 Mảng và quản lý bộ nhớ ₫ộng
4.2 Xây dựng cấu trúc Vector
4.3 Xây dựng cấu trúc List

3
4.1 Giới thiệu chung
Phần lớn các bài toán trong thực tế liên quan tới các
dữ liệu phức hợp, những kiểu dữ liệu cơ bản trong
ngôn ngữ lập trình không ₫ủ biểu diễn
Ví dụ:
— Dữ liệu sinh viên: Họ tên, ngày sinh, quê quán, mã số SV,...
— Mô hình hàm truyền: Đa thức tử số, ₫a thức mẫu số
— Mô hình trạng thái: Các ma trận A, B, C, D
— Dữ liệu quá trình: Tên ₫ại lượng, dải ₫o, giá trị, ₫ơn vị, thời
gian, cấp sai số, ngưỡng giá trị,...
— Đối tượng ₫ồ họa: Kích thước, màu sắc, ₫ường nét, phông
chữ, ...
Phương pháp biểu diễn dữ liệu: ₫ịnh nghĩa kiểu dữ
liệu mới sử dụng cấu trúc (struct, class, union, ...)

4
Vấn ₫ề: Biểu diễn tập hợp dữ liệu
Đa số những dữ liệu thuộc một ứng dụng có liên quan
với nhau => cần biểu diễn trong một tập hợp có cấu
trúc, ví dụ:
— Danh sách sinh viên: Các dữ liệu sinh viên ₫ược sắp xếp theo
thứ tự Alphabet
— Mộ hình tổng thể cho hệ thống ₫iều khiển: Bao gồm nhiều
thành phần tương tác
— Dữ liệu quá trình: Một tập dữ liệu có thể mang giá trị của
một ₫ại lượng vào các thời ₫iểm gián ₫oạn, các dữ liệu ₫ầu
vào liên quan tới dữ liệu ₫ầu ra
— Đối tượng ₫ồ họa: Một cửa sổ bao gồm nhiều ₫ối tượng ₫ồ
họa, một bản vẽ cũng bao gồm nhiều ₫ối tượng ₫ồ họa
Thông thường, các dữ liệu trong một tập hợp có cùng
kiểu, hoặc ít ra là tương thích kiểu với nhau
Kiểu mảng không phải bao giờ cũng phù hợp!

5
Vấn ₫ề: Quản lý (tập hợp) dữ liệu
Sử dụng kết hợp một cách khéo léo kiểu cấu trúc và
kiểu mảng ₫ủ ₫ể biểu diễn các tập hợp dữ liệu bất kỳ
Các giải thuật (hàm) thao tác với dữ liệu, nhằm quản
lý dữ liệu một cách hiệu quả:
— Bổ sung một mục dữ liệu mới vào một danh sách, một bảng,
một tập hợp, ...
— Xóa một mục dữ liệu trong một danh sách, bảng, tập hợp,..
— Tìm một mục dữ liệu trong một danh sách, bảng tập hợp,...
theo một tiêu chuẩn cụ thể
— Sắp xếp một danh sách theo một tiêu chuẩn nào ₫ó
— ....

6
Quản lý DL thế nào là hiệu quả?
Tiết kiệm bộ nhớ: Phần "overhead" không ₫áng kể so
với phần dữ liệu thực
Truy nhập nhanh, thuận tiện: Thời gian cần cho bổ
sung, tìm kiếm và xóa bỏ các mục dữ liệu phải ngắn
Linh hoạt: Số lượng các mục dữ liệu không (hoặc ít)
bị hạn chế cố ₫ịnh, không cần biết trước khi tạo cấu
trúc, phù hợp với cả bài toán nhỏ và lớn
Hiệu quả quản lý dữ liệu phụ thuộc vào
— Cấu trúc dữ liệu ₫ược sử dụng
— Giải thuật ₫ược áp dụng cho bổ sung, tìm kiếm, sắp xếp, xóa
bỏ

7
Các cấu trúc dữ liệu thông dụng
Mảng (nghĩa rộng): Tập hợp các dữ liệu có thể truy
nhập tùy ý theo chỉ số
Danh sách (list): Tập hợp các dữ liệu ₫ược móc nối ₫ôi
một với nhau và có thể truy nhập tuần tự
Cây (tree): Tập hợp các dữ liệu ₫ược móc nối với nhau
theo cấu trúc cây, có thể truy nhập tuần tự từ gốc
— Nếu mỗi nút có tối ₫a hai nhánh: cây nhị phân (binary tree)
Bìa, bảng (map): Tập hợp các dữ liệu có sắp xếp, có
thể truy nhập rất nhanh theo mã khóa (key)
Hàng ₫ợi (queue): Tập hợp các dữ liệu có sắp xếp
tuần tự, chỉ bổ sung vào từ một ₫ầu và lấy ra từ ₫ầu
còn lại

8
Các cấu trúc dữ liệu thông dụng (tiếp)
Tập hợp (set): Tập hợp các dữ liệu ₫ược sắp xếp tùy ý
nhưng có thể truy nhập một cách hiệu quả
Ngăn xếp (stack): Tập hợp các dữ liệu ₫ược sắp xếp
tuần tự, chỉ truy nhập ₫ược từ một ₫ầu
Bảng hash (hash table): Tập hợp các dữ liệu ₫ược sắp
xếp dựa theo một mã số nguyên tạo ra từ một hàm
₫ặc biệt
Bộ nhớ vòng (ring buffer): Tương tự như hàng ₫ợi,
nhưng dung lượng có hạn, nếu hết chỗ sẽ ₫ược ghi
quay vòng
Trong toán học và trong ₫iều khiển: vector, ma trận,
₫a thức, phân thức, hàm truyền, ...

9
4.2 Mảng và quản lý bộ nhớ ₫ộng
Mảng cho phép biểu diễn và quản lý dữ liệu một cách
khá hiệu quả:
— Đọc và ghi dữ liệu rất nhanh qua chỉ số hoặc qua ₫ịa chỉ
— Tiết kiệm bộ nhớ
Các vấn ₫ề của mảng tĩnh:
VD: Student student_list[100];
— Số phần tử phải là hằng số (biết trước khi biên dịch, người sử
dụng không thể nhập số phần tử, không thể cho số phần từ
là một biến) => kém linh hoạt
— Chiếm chỗ cứng trong ngăn xếp (₫ối với biến cục bộ) hoặc
trong bộ nhớ dữ liệu chương trình (₫ối với biến toàn cục) =>
sử dụng bộ nhớ kém hiệu quả, kém linh hoạt

10
Mảng ₫ộng
Mảng ₫ộng là một mảng ₫ược cấp phát bộ nhớ theo
yêu cầu, trong khi chương trình chạy
#include <stdlib.h> /* C */
int n = 50;
...
float* p1= (float*) malloc(n*sizeof(float)); /* C */
double* p2= new double[n]; // C++
Sử dụng con trỏ ₫ể quản lý mảng ₫ộng: Cách sử dụng
không khác so với mảng tĩnh
p1[0] = 1.0f;
p2[0] = 2.0;
Sau khi sử dụng xong => giải phóng bộ nhớ:
free(p1); /* C */
delete [] p2; // C++

11
Cấp phát và giải phóng bộ nhớ ₫ộng
C:
— Hàm malloc() yêu cầu tham số là số byte, trả về con trỏ
không kiểu (void*) mang ₫ịa chỉ vùng nhớ mới ₫ược cấp
phát (nằm trong heap), trả về 0 nếu không thành công.
— Hàm free() yêu cầu tham số là con trỏ không kiểu (void*),
giải phóng vùng nhớ có ₫ịa chỉ ₫ưa vào
C++:
— Toán tử new chấp nhận kiểu dữ liệu phần tử kèm theo số
lượng phần tử của mảng cần cấp phát bộ nhớ (trong vùng
heap), trả về con trỏ có kiểu, trả về 0 nếu không thành công.
— Toán tử delete[] yêu cầu tham số là con trỏ có kiểu.
— Toán tử new và delete còn có thể áp dụng cho cấp phát và
giải phóng bộ nhớ cho một biến ₫ơn, một ₫ối tượng chứ
không nhất thiết phải một mảng.

12
Một số ₫iều cần lưu ý
Con trỏ có vai trò quản lý mảng (₫ộng), chứ con trỏ không phải
là mảng (₫ộng)
Cấp phát bộ nhớ và giải phóng bộ nhớ chứ không phải cấp phát
con trỏ và giải phóng con trỏ
Chỉ giải phóng bộ nhớ một lần
int* p;
p[0] = 1; // never do it
new(p); // access violation!
p = new int[100]; // OK
p[0] = 1; // OK
int* p2=p; // OK
delete[] p2; // OK
p[0] = 1; // access violation!
delete[] p; // very bad!
p = new int[50]; // OK, new array
...

13
Cấp phát bộ nhớ ₫ộng cho biến ₫ơn
Ý nghĩa: Các ₫ối tượng có thể ₫ược tạo ra ₫ộng, trong khi
chương trình chạy (bổ sung sinh viên vào danh sách, vẽ thêm
một hình trong bản vẽ, bổ sung một khâu trong hệ thống,...)
Cú pháp
int* p = new int;
*p = 1;
p[0]= 2; // the same as above
p[1]= 1; // access violation!
int* p2 = new int(1); // with initialization
delete p;
delete p2;
Student* ps = new Student;
ps->code = 1000;
...
delete ps;
Một biến ₫ơn khác với mảng một phần tử!

14
Ý nghĩa của sử dụng bộ nhớ ₫ộng
Hiệu suất:
— Bộ nhớ ₫ược cấp phát ₫ủ dung lượng theo yêu cầu và khi
₫ược yêu cầu trong khi chương trình ₫ã chạy
— Bộ nhớ ₫ược cấp phát nằm trong vùng nhớ tự do còn lại của
máy tính (heap), chỉ phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ của
máy tính
— Bộ nhớ có thể ₫ược giải phóng khi không sử dụng tiếp.
Linh hoạt:
— Thời gian "sống" của bộ nhớ ₫ược cấp phát ₫ộng có thể kéo
dài hơn thời gian "sống" của thực thể cấp phát nó.
— Có thể một hàm gọi lệnh cấp phát bộ nhớ, nhưng một hàm
khác giải phóng bộ nhớ.
— Sự linh hoạt cũng dễ dẫn ₫ến những lỗi "rò rỉ bộ nhớ".

15
Ví dụ sử dụng bộ nhớ ₫ộng trong hàm
Date* createDateList(int n) {
Date* p = new Date[n];
return p;
}
void main() {
int n;
cout << "Enter the number of your national holidays:";
cin >> n;
Date* date_list = createDateList(n);
for (int i=0; i < n; ++i) {
...
}
for (....) { cout << ....}
delete [] date_list;
}

16
Tham số ₫ầu ra là con trỏ?
void createDateList(int n, Date* p) {
p = new Date[n];
}
void main() {
int n;
cout << "Enter the number of your national holidays:";
cin >> n;
Date* date_list;
createDateList(n, date_list);
for (int i=0; i < n; ++i) {
...
}
for (....) { cout << ....}
delete [] date_list;
}

17
4.3 Xây dựng cấu trúc Vector
Vấn ₫ề: Biểu diễn một vector toán học trong C/C++?
Giải pháp chân phương: mảng ₫ộng thông thường, nhưng...
— Sử dụng không thuận tiện: Người sử dụng tự gọi các lệnh cấp phát
và giải phóng bộ nhớ, trong các hàm luôn phải ₫ưa tham số là số
chiều.
— Sử dụng không an toàn: Nhầm lẫn nhỏ dẫn ₫ến hậu quả nghiêm
trọng
int n = 10;
double *v1,*v2, d;
v1 = (double*) malloc(n*sizeof(double));
v2 = (double*) malloc(n*sizeof(double));
d = scalarProd(v1,v2,n); // scalar_prod đã có
d = v1 * v2; // OOPS!
v1.data[10] = 0; // OOPS!
free(v1);
free(v2);

18
Định nghĩa cấu trúc Vector
Tên file: vector.h
Cấu trúc dữ liệu:
struct Vector {
double *data;
int nelem;
};
Khai báo các hàm cơ bản:
Vector createVector(int n, double init);
void destroyVector(Vector);
double getElem(Vector, int i);
void putElem(Vector, int i, double d);
Vector addVector(Vector, Vector);
Vector subVector(Vector, Vector);
double scalarProd(Vector, Vector);
...

19
Định nghĩa các hàm cơ bản
Tên file: vector.cpp
#include <stdlib.h>
#include "vector.h"
Vector createVector(int n, double init) {
Vector v;
v.nelem = n;
v.data = (double*) malloc(n*sizeof(double));
while (n--) v.data[n] = init;
return v;
}
void destroyVector(Vector v) {
free(v.data);
}
double getElem(Vector v, int i) {
if (i < v.nelem && i >= 0) return v.data[i];
return 0;
}

20
void putElem(Vector v, int i, double d) {
if (i >=0 && i < v.nelem) v.data[i] = d;
}
Vector addVector(Vector a, Vector b) {
Vector c = {0,0};
if (a.nelem == b.nelem) {
c = createVector(a.nelem,0.0);
for (int i=0; i < a.nelem; ++i)
c.data[i] = a.data[i] + b.data[i];
}
return c;
}
Vector subVector(Vector a, Vector b) {
Vector c = {0,0};
...
return c;
}

21
Ví dụ sử dụng
#include "vector.h"
void main() {
int n = 10;
Vector a,b,c;
a = createVector(10,1.0);
b = createVector(10,2.0);
c = addVector(a,b);
//...
destroyVector(a);
destroyVector(b);
destroyVector(c);
}

22
4.4 Xây dựng cấu trúc List
Vấn ₫ề: Xây dựng một cấu trúc ₫ể quản lý một cách
hiệu quả và linh hoạt các dữ liệu ₫ộng, ví dụ:
— Hộp thư ₫iện tử
— Danh sách những việc cần làm
— Các ₫ối tượng ₫ồ họa trên hình vẽ
— Các khâu ₫ộng học trong sơ ₫ồ mô phỏng hệ thống (tương tự
trong SIMULINK)
Các yêu cầu ₫ặc thù:
— Số lượng mục dữ liệu trong danh sách có thể thay ₫ổi thường
xuyên
— Các thao tác bổ sung hoặc xóa dữ liệu cần ₫ược thực hiện
nhanh, ₫ơn giản
— Sử dụng tiết kiệm bộ nhớ

23
Sử dụng kiểu mảng?
Số phần tử trong một mảng thực chất không bao giờ
thay ₫ổi ₫ược. Dung lượng bộ nhớ vào thời ₫iểm cấp
phát phải biết trước, không thực sự co giãn ₫ược.
Nếu không thực sự sử dụng hết dung lượng ₫ã cấp
phát => lãng phí bộ nhớ
Nếu ₫ã sử dụng hết dung lượng và muốn bổ sung
phần tử thì phải cấp phát lại và sao chép toàn bộ dữ
liệu sang mảng mới => cần nhiều thời gian nếu số
phần tử lớn
Nếu muốn chèn một phần tử/xóa một phần tử ở ₫ầu
hoặc giữa mảng thì phải sao chép và dịch toàn bộ
phần dữ liệu còn lại => rất mất thời gian

24
Danh sách móc nối (linked list)
Dữ liệu A
Dữ liệu B
Dữ liệu X
Dữ liệu Y0x00
Dữ liệu C
pHead
Item A
Item B
Item C
Item X
Item Y

25
Bổ sung dữ liệu
Dữ liệu A
Dữ liệu B
Dữ liệu X
Dữ liệu Y0x00
Dữ liệu C
pHead
Dữ liệu T
pHead
Dữ liệu A
Dữ liệu B
Dữ liệu X
Dữ liệu Y0x00
Dữ liệu C
pHead Dữ liệu T
Bổ sung vào giữa danh sáchBổ sung vào ₫ầu danh sách

26
Xóa bớt dữ liệu
Dữ liệu A
Dữ liệu B
Dữ liệu X
Dữ liệu Y0x00
Dữ liệu C
pHead
Dữ liệu A
Dữ liệu B
Xóa dữ liệu ₫ầu danh sách
Dữ liệu C
Dữ liệu X
Dữ liệu Y0x00
pHead
Xóa dữ liệu giữa danh sách

27
Các ₫ặc ₫iểm chính
Ưu ₫iểm:
— Sử dụng rất linh hoạt, cấp phát bộ nhớ khi cần và xóa khi
không cần
— Bổ sung và xóa bỏ một dữ liệu ₫ược thực hiện thông qua
chuyển con trỏ, thời gian thực hiện là hằng số, không phụ
thuộc vào chiều dài và vị trí
— Có thể truy nhập và duyệt các phần tử theo kiểu tuần tự
Nhược ₫iểm:
— Mỗi dữ liệu bổ sung mới ₫ều phải ₫ược cấp phát bộ nhớ ₫ộng
— Mỗi dữ liệu xóa bỏ ₫i ₫ều phải ₫ược giải phóng bộ nhớ tương
ứng
— Nếu kiểu dữ liệu không lớn thì phần overhead chiếm tỉ lệ lớn
— Tìm kiếm dữ liệu theo kiểu tuyến tính, mất thời gian

28
Ví dụ: Danh sách thông báo (hộp thư)
#include <string>
using namespace std;
struct MessageItem {
string subject;
string content;
MessageItem* pNext;
};
struct MessageList {
MessageItem* pHead;
};
void initMessageList(MessageList& l);
void addMessage(MessageList&, const string& sj,
const string& ct);
bool removeMessageBySubject(MessageList& l,
const string& sj);
void removeAllMessages(MessageList&);

29
#include "List.h"
void initMessageList(MessageList& l) {
l.pHead = 0;
}
void addMessage(MessageList& l, const string& sj,
const string& ct) {
MessageItem* pItem = new MessageItem;
pItem->content = ct;
pItem->subject = sj;
pItem->pNext = l.pHead;
l.pHead = pItem;
}
void removeAllMessages(MessageList& l) {
MessageItem *pItem = l.pHead;
while (pItem != 0) {
MessageItem* pItemNext = pItem->pNext;
delete pItem;
pItem = pItemNext;
}
l.pHead = 0;
}

30
bool removeMessageBySubject(MessageList& l,
const string& sj) {
MessageItem* pItem = l.pHead;
MessageItem* pItemBefore;
while (pItem != 0 && pItem->subject != sj) {
pItemBefore = pItem;
pItem = pItem->pNext;
}
if (pItem != 0) {
if (pItem == l.pHead)
l.pHead = 0;
else
pItemBefore->pNext = pItem->pNext;
delete pItem;
}
return pItem != 0;
}

31
Chương trình minh họa
#include <iostream>
#include "list.h"
using namespace std;
void main() {
MessageList myMailBox;
initMessageList(myMailBox);
addMessage(myMailBox,"Hi","Welcome, my friend!");
addMessage(myMailBox,"Test","Test my mailbox");
addMessage(myMailBox,"Lecture Notes","Programming Techniques");
removeMessageBySubject(myMailBox,"Test");
MessageItem* pItem = myMailBox.pHead;
while (pItem != 0) {
cout << pItem->subject << ":" << pItem->content << 'n';
pItem = pItem->pNext;
}
char c;
cin >> c;
removeAllMessages(myMailBox);
}

32
Bài tập về nhà
Xây dựng kiểu danh sách móc nối chứa các ngày lễ
trong năm và ý nghĩa của mỗi ngày (string), cho
phép:
— Bổ sung một ngày lễ vào ₫ầu danh sách
— Tìm ý nghĩa của một ngày (₫ưa ngày tháng là tham số)
— Xóa bỏ ₫i một ngày lễ ở ₫ầu danh sách
— Xóa bỏ ₫i một ngày lễ ở giữa danh sách (₫ưa ngày tháng là
tham số)
— Xóa bỏ ₫i toàn bộ danh sách
Viết chương trình minh họa cách sử dụng

C4 data structures

More Related Content

Similar to C4 data structures (20)

More from Tiến Quang Phan (18)

C4 data structures