Отображение АСД на СДХ.
Наша задача:
1.Найти отображение АСД -> СДХ;
2.Оценить сложность алгоритмов операций вставки, замены, поиска и удаления при различных способах отображениях.
Отображения на вектор.
Будем предполагать что мы имеем дело с неотсортированными структурами. Подробно что означает условие сортированности мы рассмотрим в разделе IV "Сортировка."
Строка
Отображение строки на вектор строится так:
1. Возьмем антитранзитиное отношение R' такое что его транзитивное замыкание дает R (для этого достаточно рассмотреть отношение линейного порядка R без условия 2 - условия транзитивности:
если (a, b) и (b, c) принадлежат R, то (a, c) тоже принадлежит R;
Ясно что R' задает отношение соседства, т.е. (a,b) принадл. R' если и только если
Не существ. c: c принадл. M, (a,c)принадл.R' и (c,b)принадл.R'
2.Возьмем минимальный элемент в строке (он существует в силу свойства отношения линейного порядка R); пусть это a;
3.Элементу a сопоставим первый компонент вектора: I(a)=1;
4.Паре (b,c)принадл.R' сопоставим I(c)=I(b)+1.
В одном векторе можно хранить несколько строк. Для этого существует два принципиально разных способа: строки разделяются специальным признаком - признаком конца, которого нет среди символов строк; второй способ - в начале каждой строки указывается ее длина.
Последний способ предпочтительней когда мы имеем дело со строками переменной длины, а первый хорош когда строки фиксированной длины.
Рассмотрим сложность операций поиска, вставки, удаления и замены. Операции вставки, удаления и замены содержат операцию поиска как составную часть.
Предполагаем что частота встречаемости всех элементов в строке одна и та же. Тогда в среднем (когда мы имеем дело с множеством строк,а не с одной, двумя) нам придется просомтреть половину строки, чтобы найти нужный символ: (1/N)+(1/N)2+(1/N)3+...+(1/N)N= (N+1)/2 = ~N/2
Отсюда следует сложность поиска (количество операций сравнения) пропорциональна половине длины строки.
Для операции вставки сложность проворциональна длине строки. Действительно, нам надо N/2 сравнений, чтобы найти место для вставки, а затем N/2 сдвигов вправо, чтобы освободить место для нового элемента.
Сложность операции удаления равна сложности операции вставки. Рассуждения здесь аналогично предыдущим.
Нетрудно подсчитать сложность операции замены - N/2+1.
Основной вывод состоит в том, что при отображении строки на вектор все операции со строкой имеют линейную сложность, пропорциональную длине строки.
Граф (дерево)
Отображение графа на вектор строится через метрицу смежности или матрицу инцидентностей. В Pascal, где есть двумерные массивы такое представление графа очевидно. (См. представление лабиринта в задаче об Ариадне и Тезее.) При отображении на вектор возможно два подхода: отображение по строкам или по столбцам.
Здесь мы рассмотрим случай отображения по строкам. Случай отображения по столбцам полностью аналогичный. При отображении по строкам элементу матрицы A[i,j] сопоставляется элемент вектора V[k], где
k=(i-1)n + j, где n - длина строки.
Теперь оценим сложность операции поиска. Нам придется просмотреть в среднем половину строк - N/2, и половину элементов в каждой строке - N/2 при условии что часто встречаемости всех элементов одинакова. Таким образом сложность операции поиска пропорциональна N^2 /4 или N^2 при больших N.
Однако при оперции удаления нам не надо сдвигать все элементы как в случае со строкой. Однако, операция вставки трубет изменения размерности матрицы смежности по каждому измерению с N на N+1. Для этого нам придется выполнить (N+1) операций присваивания, чтобы заполнить новую строку в векторе, плюс N+1 сдвигов строк, чтобы добавить к каждой старой строке по новому элементу, соответствующему N+1 столбцу. Количество операций сдвига определяется следующим соотношением:
Таким образом сложность операции вставки будет равна
N^2/4 + N^3/2 = N^2(N+2)/2.
Следует обратить внимание что по-прежнему значительный вклад в сложность операций с графами составляет операция поиска.
Для k-ичного дерева можно предложить специальный способ отображения на вектор. Компоненту V[0] сопоставляем корню дерева; компоненты V[1]...V[k] сопоставляем потомкам корня, затем с V[k+1] по V[2k] размещаем потомков V[1], с V[2k+1] - V[3k] - потомков V[2] и т.д. В общем случае потомки i-ой вершины, расположенной на j ярусе, будет размещаться в компонентах вектора
с V[k(k^j -1)/(k-1)+ (i-1)k] компонента
по V[k(k^j -1)/(k-1)+ ik] компонент.
Оценим сложность операции поиска при таком отображении дерева на вектор. Учитывая, что высота k-ичного дерева из N вершин равна
H = log (N(k-1)+1) - 1 ~log(k) N
получаем что число листьев в таком дереве ~ N^2. Отсюда, при условии равновстречаемости элементов в дереве, нам надо просмотреть в среднем половину путей (их число равно чмслу листьев в дереве) длины H каждый. Эти рассуждения дают нам величину
~ Nlog(k) N.
Сравнивая эту оценку с предыдущей для векторного представления графа N, можно увидеть что данное представление много эффективнее.
Стек
Поскольку стек есть мо существу единичное дерево все операции с которым осуществляются через корень, то отображение на стека на вектор достаточно очевидно. С вектором свзываем указатель p, который указывает на тот компонент вектора, где в данный момент размещается корень дерева. Изначально p=0. Операция вставки суть p:=p+1;V[p]:=<новый элемент>. Операция удаления: p:=p-1.
Самый важный вывод состоит в том, что операции над стеком при векторном представлении не зависят от длины стека.
Очередь
Для векторного представления очереди нам потребуются два указателя t и h для хвоста и головы очереди соотвественно. Напомним, что удаление элемента из очереди возможно только из головы очереди, а вставка - только из хвоста.
Одно из возможных отображений очереди на вектор состоит в том, что полагаем изначально h:=N; t:=N. Тогда изъятие элемента - h:=h-1; а вставка - t:=t-1. Такое отображение обладает тем недостатком, что если общее число элементов, прошедших через очередь - M>>N, при условии что длина очереди не более N, то после вставки N элементов мы исчерпаем длину вектора в указателе t.
Можно модифицировать этот метод - зафиксировать положение указателя h:=N. Тогда при изъятии элемента из очереди нам надо будет сдвигать все элементы на единицу вправо и корректировать значение указателя t. Чем больше средняя длина очереди, тем менее выгодно такое представление (длина сдвига увеличивается).
Третий способ представления очереди через вектор состоит в том, что мы "загибаем" вектор в кольцо. Для этого достаточно выполнять все операции в указателями по модулю N. При таком представлении очереди сложность операций вставки и изъятия становятся совершенно не зависимыми от размера очереди.
Таблицы
Отображение таблиц на векторную память будет рассмотрено позднее в разделе "Таблицы".
Основным недостатком векторного представления АСД - ограниченность длины вектора. Ее мы должны знать заранее. Кроме этого, как мы видели достаточно часто нам приходится двигать компоненты вектора при вставке и удалении элементов в векторе.
Представление АСД в списковой памяти
Понятие списка
Списком называется множество звеньев вида
|------------------------------------|
| тело... | указатель на звено |
|------------------------------------|
увязанных в цепочку с помощью указателей друг на друга.
Поле тело предназнаяено для хранения собственно данных, поле указатель на звено - для ссылки на соседнее звено. В одном звене может быть несколько полей указатель на звено. Значением этого поля - ссылка на звено.
Каждая ссылка соотвествует ориентированной, упорядоченной паре в отношении некоторой структуры данных. Вдоль указателя можно двигаться только в одном направлении.
Звенья можно использовать как для представления элементов множества структуры, так и для представления элементов отношения. Звенья можно использовать для наращивания длины поля тело, для связи звеньев между собой.
Основной недостаток списка - затраты памяти на хранение указателей. Чем сложнее структура - тем больше указателей надо для ее представления, тем больше памяти расходуется под указатели.
Основное достоинство - неограниченности по размеру, динамичность в управлении и организации.
Представление строк
Для представления строк можно использовать звенья со следующими видами поля тело:
- односимвольные звенья;
- многосимвольные звенья;
- звенья переменной длины (в Pascal где динамические структуры переменной длины не поддерживаются этого вида звенья не эффективны);
По организации поля указатель на другое звено:
-однонаправленные;
-двунаправленные;
-мультиссылочные (когда один элемент структуры связан с несколькими другими элементами).
Заметим, что в случае мультиссылочного звена по некоторым направлениям мы можем иметь двунаправленную связь между звеньями, а по некоторым - однонапрвленную.
Представление графов
При представлении графов можно использовать несколько подходов:
- использовать звенья только для представления вершин, а дуги отображать через указатели; недостатком здесь является то, что негде отобразить информацию, например, о весе дуги, а так же - в случае неориентированного графа одной дуге будет соотвествовать два указателя.
- использовать звенья для дуг, а вершины отображать как ссылки между дугами инцидентными одной и той же вершине; в этом подходе затруднено представление оринетированных дуг, а так же инфомации о вершиных;
- наконец можно ввести два вида звеньев один для представления дуг, другой для представления вершин; звенья-дуги увязываются в список, звенья-вершины также увязываются в список с перекрестными ссылками между списками.
Особый случай представляют нерегулярные графы, т.е. графы в которых степень вершин - величина переменная. В этом случае используются специальные служебные звенья из двух полей-указателей. Одно поле служит для ссылки на двругое аналогичное звено, а второе поле - для ссылки на соотвествующий элемент структуры.