Dynamische Datenstrukturen Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 1

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1 Dynamische Datenstrukturen 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 1

2 Dynamische Datenstrukturen Keine konstante Kardinalität Speicherzuweisung erfolgt während der Programm-Laufzeit 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 2

3 File: sequentielle dyn. Struktur Def: Eine Sequenz vom Grundtyp T 0 ist entweder die leere Sequenz oder die Verkettung einer Sequenz vom Grundtyp T 0 mit einem Wert vom Typ T 0. Leseschreibkopf Grundoperationen: Lesen Schreiben Zurücksetzen EOF setzen seek 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 3

4 Textdateien und binäre Dateien Beide Dateitypen haben eigene Befehlssätze zum Lesen und Schreiben Textdatei Folge von Zeichen in vereinbartem Format (ASCII, Unicode) mit normalem Texteditor lesbar Lesebefehle lesen Zeichen bis zum nächsten Trennzeichen in eine Variable => einzelne Variablen durch Trennzeichen (Delimiters) getrennt; für die Trennzeichen muss der Programmierer selbst sorgen braucht i.d.r. mehr Speicherplatz dynamisch-strukturiert-homogen Binärdatei Folge von Bytes; Variablen haben den gleichen Format wie im Hauptspeicher nur mit Spezialeditoren (Hexeditor) lesbar Lese/Schreibbefehle enthalten Information über die Anzahl der zu lesenden/schreibenden Bytes => keine Trennzeichen notwendig braucht i.d.r. weniger Speicherplatz dynamisch-strukturiert-heterogen 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 4

5 Implementierung von File #1 1. C: 1.1 Textdatei FILE *fileptr; char Zeichenkette[20]; int a; fileptr=fopen("myfile.txt","w"); //Zuordnung //log./phys. Datei fprintf(fileptr,"mystring ",9); // schreiben fclose(fileptr);... fileptr=fopen("myfile.txt", "r"); fscanf(fileptr, "%s%d", Zeichenkette, &a); // lesen fclose(fileptr); //Datei schließen 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 5

6 Implementierung von File #2 1.1 Binäre Datei FILE *fileptr; int a; float b[20]; fileptr=fopen("myfile.bin","wb"); //Zuordnung //log./phys. Datei fwrite(&a, sizeof(int), 1, fileptr); // schreiben fwrite(b, sizeof(float), 20, fileptr); fclose(fileptr);... fileptr=fopen("myfile.bin", rb"); fread(&a, sizeof(int), 1, fileptr); // lesen fread(b, sizeof(float), 20, fileptr); //Datei schließen // Params: Buffer,Datentyp-Länge,Anzahl,log.Datei fclose(fileptr); //Datei schließen 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 6

7 Implementierung von File #3 2. C Textdateien #include <iostream> // 1 #include <fstream> // 2 #include <string> // 3 using namespace std; int main() { fstream in_file("original.txt", ios::in); // 4 fstream out_file("kopie.txt",ios::out ios::trunc);//5 string buffer; while(!in_file.eof()) { // 6 getline(in_file, buffer, ' '); // 7 out_file << buffer << endl; // 8 } return 0; } 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 7

8 Files in Java Datenaustausch mit der Umgebung des Systems (Bsp.): System.out.println(): Ausdrucken von Daten auf dem Bildschirm gettext(): Auslesen eines Textes aus einer graphischen Komponente vom Typ TextField. Allg: Modellierung von externen Speichern und die Modellierung der Interaktion von Informatik-Systemen mit ihrer Umgebung. Definition Datei: Eine Verwaltungseinheit zur Repräsentation von externen Daten nach gewissen Organisationsformen, die den Zugriff innerhalb des Informatik-Systems auf die Daten festlegen Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 8

9 Streams in Java Um auf Dateien innerhalb eines Informatik-Systems zugreifen zu können, führen wir den Begriff des Streams ein. Definition Stream: Die interne Repräsentation einer (externen) Datei oder eines Ein-/Ausgabe (E/A)-Gerätes in einem Informatik-System. Definition Eingabe: Das Lesen der Daten von einer Datei oder von einem Eingabe-Gerät in einen Strom. Der Strom heißt dann Eingabestrom. Definition Ausgabe: Das Schreiben von Daten eines Stroms auf eine Datei oder ein Ausgabe-Gerät. Der Strom heißt dann Ausgabestrom. Ein Stream hat eine Quelle und eine Senke Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 9

10 Entwurf von Streams Wir modellieren Ströme als Klassen. Allgemein können wir sagen: Ein Strom hat zwei private Attribute Name: Bezeichner der mit dem Strom verbundenen Quelle oder Senke Marke: Zeiger auf das derzeitige Element (current element). Ein Strom stellt folgende Operationen bereit: open(): Öffnen der Verbindung mit einer (externen) Datei read(): Lesen eines Elements aus dem Strom. write(): Schreiben eines Elements in den Strom. close(): Schließen der Verbindung mit der Datei. Die Signatur der Operationen und die Implementierung von Strömen ist abhängig von der Programmiersprache; Implementierung von Dateien ist vom Betriebssystem abhängig. Java unterstützt Ströme und Dateien Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 10

11 Streams und Files: Systematik Object Reader Writer InputStream OutputStream File Klasse Beschreibung Reader Abstrakte Klasse für textuelle Eingabeströme Writer Abstrakte Klasse für textuelle Ausgabeströme InputStream Abstrakte Klasse für binäre Eingabeströme OutputStream Abstrakte Klasse für binären Ausgabeströme File Plattform-unabhängige Repräsentation von Dateien 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 11

12 Modellierung textueller Streams Input: Klasse BufferedReader CharArrayReader FileReader PipedReader StringReader LineNumberReader wurden. Beschreibung Gepufferte Eingabe bei textuellen Eingabeströmen Einlesen von Reihungen vom Typ char als Strom Einlesen von Text-Dateien Lesen von Textdaten aus einem anderen Thread Einlesen von Zeichenketten (String) als Strom Zählt Anzahl der Text-Zeilen, die bereits gelesen 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 12

13 Modellierung textueller Streams Output: Klasse BufferedWriter CharArrayWriter FileWriter PipedWriter PrintWriter StringWriter Beschreibung Gepufferte Ausgabe bei textuellen Ausgabeströmen Schreiben von Textdaten in Reihungen vom Typ char Schreiben von Textzeichen in Text-Dateien Weitergabe von Textdaten an anderen Thread Textuelle Ausgabe von Java's Basistypen Schreiben von Textdaten in Zeichenketten (String) 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 13

14 Modellierung binärer Streams Input: Klasse ByteArrayInputSteam FileInputStream FilterInputStre BufferedInputStream DataInputStream ObjectInputStream PipedInputStream Beschreibung Einlesen von Reihungen vom Typ byte als Strom Einlesen von Binär-Dateien Ermöglicht gefiltertes Einlesen von Daten auf verschiedene Arten Ermöglicht das Puffern von Eingabedaten Lesen on vordefinierten elementaren Java-Typen Deserialisieren von Objekten Lesen von Binärdaten aus einem anderen Thread ( Info I 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 14

15 Output: Modellierung binärer Streams Klasse ByteArrayOutputSteam FileOutputStream FilterOutputStream BufferedOutputStream DataOutputStream ObjectOutputStream PipedOutputStream Beschreibung Schreiben von Binärdaten in Reihungen vom Type byte Schreiben von Bytes in Binär-Dateien Ermöglicht das gefilterte Schreiben von Daten auf verschiedene Arten Ermöglicht das Puffern von Ausgabedaten Schreiben von vordefinierten elementaren Java-Typen Serialisieren von Objekten Weitergabe von Binärdaten an anderen Thread ( 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 15

16 2 wichtige Konzepte Zur Verbesserung der Laufzeit von Informatik- Systemen mit Strömen gibt es 2 wichtige Konzepte: Puffern von Daten: Puffer werden benutzt, wenn das Ein-/Ausgabe-Gerät signifikant langsamer als der Prozessor ist. Konkatenation von Strömen: Wenn die Ausgabe eines Stroms die Eingabe eines anderen Stroms ist. (Beispiel "Unix pipes": ls more) 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 16

17 Schreiben und Lesen von beliebigen Objekten #1 Objekt-Serialisierung ist der Prozess des Schreibens eines Objektes auf einen Strom als eine Serie von Bytes. Objekt-Deserialisierung ist der Prozess des Lesens eines Objektes von einem Strom als eine Serie von Bytes. Objekte serializiert man mit ObjectOutputStream und deserialisiert sie mit ObjectInputStream 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 17

18 Schreiben und Lesen von beliebigen Objekten #2 Um ein Objekt zu serialisieren, muss es als Argument beim Aufruf der writeobject()-methode übergeben werden. Zur Deserialisierung eines Objekts wird die readobject()-methode aufgerufen. Wichtig: Die Java Schnittstelle Serializable hat weder Methoden noch Konstanten (sog. Marker Interface) Klassen müssen diese Schnittstelle trotzdem "implementieren", um anzuzeigen, dass sie serialisiert und deserialisiert werden dürfen Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 18

19 Lineare Listen Head Schlüssel Daten Verweis Schlüssel Daten NULL 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 19

20 Einfach verkettete Liste Head Schlüssel Schlüssel Schlüssel Daten Daten Daten Next Next NULL Doppelt verkettete Liste Head Schlüssel Schlüssel Schlüssel Daten Daten Daten Next Next NULL NULL Previous Previous Tail 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 20

21 Zyklische Liste Head Schlüssel Schlüssel Schlüssel Daten Daten Daten Next Next Next 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 21

22 Schlangen: Implementierung als Liste Einfügen Einfügen > >... > Entfernen Entfernen als Feld frei belegt frei Abb Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 22

23 Einseitig beschränkte Schlange Einfügen > >... > Entfernen Abb 16 a Das Einfügen / Entfernen der Listenelemente nur möglich: entweder: nur auf den/vom Anfang das Ende der Schlange nicht begrenzt oder: nur auf das/vom Ende der Anfang der Schlange nicht begrenzt 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 23

24 Zweiseitig beschränkte Schlange Einfügen > >... > Entfernen Das Einfügen / Entfernen der Listenelemente nur möglich: Abb. 16 b entweder: Einfügen nur auf den Anfang Entfernen nur vom Ende oder: Einfügen nur auf das Ende Entfernen nur vom Anfang Beides begrenzt: Anfang und Ende 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 24

25 FIFO frei Füllrichtung > Entnehmen class FIFOElement {... } Einfügen Abb.17 class FIFO { FIFOelement[] X=new FIFOelement[MaxZahl];... } belegt 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 25

26 LIFO (Stack, Kellerspeicher) Einfügen > class LIFOElement {... } Entnehmen Abb.17a class LIFO { LIFOelement[] X=new LIFOelement[MaxZahl];... } 2006 Jiri Spale, Algorithmen und Datenstrukturen - Dynamische Datenstrukturen 26 <