Лабораторная работа № 9

Динамические переменные. Списки

Задачи лабораторной работы

Вопросы, изучаемые в работе

• Разработка программы с динамическим выделением памяти.
• Работа с переменными комбинированного типа - записями.
• Работа с переменными ссылочного типа - указателями.
• Программирование списков записей.

Задание (общее ко всем вариантам)

В лабораторной работе требуется сформировать заданный тип списка, заполнить его в соответствии с указаниями варианта задания данными из входного файла (типизированного или текстового) и вывести содержимое списка в виде таблицы в выводной текстовый файл по одной записи в строку.

Файл данных Dan.dat находится в каталоге D:\LAB1\и состоит из записей. Первое поле каждой записи файла данных содержит фамилию и инициалы студента, второе и третье поля - оценки по дисциплинам, четвертое поле - среднюю оценку. Файл Dan.txt расположен там же и содержит ту же информацию, но в форме символьных строк.

В таблице вариантов указаны условия, которым должны отвечать записи данных, выбираемые из файла, а также типы списка и файла данных. Поля заглавного (в нульсвязных списках – первого обслуживаемого) звена должны содержать сведения о типе списка и количестве звеньев в нем.

В задании для типов списков используются следующие обозначения:

Таблица 30. Обозначения типов списков

Тип списка	Обозначение
Односвязный линейный	S1L
Односвязный кольцевой, заголовок внутри	S1KI
Односвязный кольцевой, заголовок вне	S1KO
Двусвязный линейный	S2L
Двусвязный кольцевой, заголовок внутри	S2KI
Двусвязный кольцевой, заголовок вне	S2KO
Стек	S0S
Очередь	S0O
Дек	S0D

Требования к программе

• Программа должна содержать комментарий с указанием названия работы, № варианта, фамилии студента и № группы.
• Все созданные в программе динамические переменные в конце должны быть удалены с освобождением памяти.
• В подпрограммах не использовать глобальные переменные, кроме имен файлов.
• Выводимая таблица должна быть озаглавлена в соответствии с заданием (какую выборку из исходного набора данных она содержит).
• В заглавном элементе списка должен быть записан тип списка в форме:

Тип списка:<обозначение> и количество записей с данными (в первом целочисленном поле)

Содержание программы

• формирование заглавного звена списка;
• цикл чтения записей из файла данных и занесения их в список;
• заполнение полей записи заглавного звена списка;
• вывод записей данных из списка в выводной файл;
• удаление списка.

Общие пояснения

Переменные, которые описываются в разделе описаний (VAR), называются статическими. Память для них выделяется перед началом выполнения программы, и во время выполнения программы не может быть изменена. По окончании программы, эта выделенная память автоматически освобождается.

Однако, статические переменные в Паскале не могут в сумме превышать 64 килобайта оперативной памяти. Кроме того, уже при составлении программы необходимо предусмотреть выделение памяти на максимально возможное количество данных, так как заранее требуемый объем данных может быть не известен.

Для устранения этих недостатков можно использовать динамическое выделение памяти под данные в процессе выполнения программы. Такая динамически выделяемая память размещается уже за пределами статического сегмента, и по объему ограничена только размерами свободной памяти ЭВМ.

Переменные, которые размещаются в этой памяти, называются динамическими. У них нет имен и для обращения к ним используются указатели – статические переменные адресного типа (или, что то же самое, ссылочного типа).

Значением указателя является физический адрес переменной базового типа, задаваемого идентификатором типа. Синтаксическое выражение для описания ссылочного типа имеет вид

<тип-указатель>::=^<идентификатор базового типа>

где символ ^ - признак ссылочного типа;

<идентификатор базового типа> - описанное ранее или стандартное имя типа.

Пример описания <тип-указатель>:

Type

mas=array[1..100] of real; {тип - массив вещественных чисел}

dinmas=^mas; {тип указатель для значений переменных типа mas}

Переменные ссылочного типа вводятся, как и другие переменные, путем перечисления их имен в разделе описания переменных с указанием типа.

Var

Pj:^integer; {указатель целого числа}

Pc:^char; {указатель символа}

Pd:dinmas; {указатель массива}

Для приведенного примера описания динамических переменных Pj, Pc, и Pd значениями этих переменных будут, соответственно адреса данных каких-нибудь переменных базовых типов: соответственно целых, символьных и массива вещественных чисел.

Динамические переменные базового типа не имеют имен. В качестве имени для них используются конструкции вида:

^<имя указателя>

Например: Pj^, Pc^, Pd^.

Присваивать значения указателям можно тремя способами:

1. Записав в него адрес существующей статической переменной, получив его операцией @ :Pj:=@N; конечно, тип переменной должен соответствовать базовому типу, использованному для описания Pj.

2. Присваиванием значения другого указателя того же типа или стандартного значения nil.

3. Присваиванием указателю адреса вновь выделенного места в оперативной памяти – то есть адреса начала динамической переменной.

В данной работе будут использоваться второй и третий способы присваивания значений указателям.

Динамическое выделение памяти можно осуществить с помощью процедуры New(P), где P - переменная типа указатель (ссылка). Эта процедура выделяет память для размещения значений динамической переменной базового типа и присваивает указателю значение адреса выделенной области памяти.

New(Pj); Pj

Чтобы обратиться к динамической переменной, необходимо применить операцию "разыменования" к указателю на эту переменную, используя знак операции "^" после имени указателя. Например, после выделения области памяти для хранения значений динамической переменной, ей можно присвоить значение оператором:

Pj^:=3; Pj

Чтобы освободить выделенную область памяти для использования другими динамическими переменными нужно воспользоваться процедурой Dispose(Pj), которая является обратной, по отношению к процедуре New(Pj):

Dispose(Pj); Pj

После освобождения выделенной памяти необходимо очистить указатель, ссылавшийся на удаленную динамическую переменную. Это выполняется присваиванием указателю "несуществующего" нулевого адреса nil:

Рj:=nil; Pj

При работе с динамическими переменными важно помнить, что любая память, выделенная процедурой new, должна быть освобождена в программе процедурой DISPOSE !

Динамическая память чаще всего используется для хранения табличных данных. При этом строки таблиц называются записями и описываются как переменные комбинированного типа (типа record), а столбцы описываются как поля соответствующих типов, принадлежащие этим записям. В записях также предусматриваются поля указателей (адресов в памяти) последующих и предыдущих записей для организации связей с ними.

В зависимости от количества ссылочных полей в каждой записи (элементе списка) списки делятся на нуль-, одно-, двух- и многосвязные. Если у списка имеются концевые элементы, он называется линейным, если последний элемент списка связан с первым (или с заголовком) – список называется кольцевым.

В языке Паскаль для списков, в отличие от массивов и структур, нет специального ключевого слова для описания переменных типа списка. Их создают с помощью комбинированных записей, содержащих ссылочные поля.

Ниже приведены схемы различных видов списков записей. На них символами "*" отмечены поля ссылок. Стрелками показаны связи между записями. Поля данных заглавных звеньев обычно используются для хранения общей информации о списках.

Односвязные списки

Пример организации односвязного списка приведен ниже.

Type

Z=Record {комбинированный тип для данных}

a: String; {строковое поле}

b, c: Integer; {поле целых чисел}

d: Real {поле вещественных чисел}

end;

P=^S; {тип указатель записи базового типа S}

S=Record {базовый тип для указателей типа Р}

ls:P; {поле типа Р ссылки на следующую запись}

Dt:Z {поле типа Z записи данных}

end;

В этом примере типы Z и S введены для описания переменных - записей, содержащих в своих полях a, b, c, d данные, соответствующие описанным типам полей. P - тип указатель для динамических переменных базового типа S, т.е. значения переменных типа P будут адресами переменных типа S.

Наличие у комбинированной переменной типа S адресного поля ls типа P позволяет включать в состав записи ссылку на последующую запись и хранить таблицы в памяти машины в виде динамических списков связанных записей.

Var

Dt:Z; {запись данных}

Uz,U:P {указатели заглавного и текущего звеньев списка}

Двусвязные списки

В двусвязных списках базовый комбинированный тип S для указателей типа P будет иметь два адресных поля: поле ls ссылки на следующую запись списка и поле lp ссылки на предыдущую запись списка. Описание двусвязных списков аналогично приведенному выше (для односвязных списков) с отличием в структуре S:

P=^S; {тип указатель записи базового типа S}

S=Record {базовый тип для указателей типа Р}

ls: P; {поле типа Р ссылки на следующую запись}

lp: P ; {поле типа Р ссылки на предыдущую запись}

Dt: Z {поле типа Z записи данных}

end;

При работе с одно- и двусвязными списками нужно уметь добавлять элементы в любое место списка, удалять заказанный элемент из списка и перемещаться по списку с целью поиска или выбора информации из списка. Необходимо определять, пуст ли список в данный момент.

Обычно считается, что список пуст, если в нем имеется только звено заголовка и нет ни одного звена с данными. При работе с такими списками в начале необходимо создать заголовок (процедурой New), а в конце программы этот заголовок должен быть удален процедурой Dispose. Добавление звена в список и удаление из списка обычно оформляется в виде процедур. Перемещение по списку чаще всего выполняется с помощью итеративного цикла ("…Пока не достигнем звена с нужными данными или не просмотрим весь список…"). Ниже приведены некоторые примеры процедур для разных видов списков. Проверка "пуст ли список" обычно нужна для того, чтобы упростить процедуры работы со списками, так как с пустыми списками не все операции возможны.

Для линейных и кольцевых списков с заголовком вне кольца, проверяется ссылка из заголовка на следующее звено. Если Uz^.ls=nil, то список пуст. Для кольцевых с заголовком в кольце – если Uz^.ls=Uz, то список пуст.

Пример процедуры добавления элемента в линейный односвязный список (определяемый указателем Uz ) после звена, заданного текущим указателем (U).

procedure PutS1(Var U:P;E:Z);

var

q:P1; { Завели рабочий указатель }

begin

new(q); { Создаем новое звено, пока вне списка }

q^.Dt:=E; { заполняем его информацией }

q^.ls:=U^.ls; {подцепляем к новому звену конец списка за U }

U^.ls:=q {подцепляем к началу списка (до U) новое звено}

end;

Если добавлять элемент нужно в начало списка (на которое ссылается заголовок списка), при вызове процедуры в качестве первого параметра приводится указатель заголовка списка.

Пример процедуры удаления элемента, заданного текущим указателем (U) из линейного двусвязного списка.

procedure DelS2(Var U:P);

var

q:P; { Завели рабочий указатель }

begin

q:=U^.lp; {q указывает звено перед тем, на которое указывает U }

q^.ls:=U^.ls; {в звене q^ меняем ссылку на следующее звено – за U^}

if U^.ls<>nil then {если удаляемое звено – не последнее, то }

begin

q:=U^.ls; { в звене за удаляемым }

q^.lp:=U^.lp { меняем ссылку на предыдущее звено }

end;

dispose(U); { собственно удаление звена }

U:=nil { очистка указателя на удаленное звено }

end;

После срабатывания этой процедуры текущий указатель перестает указывать на что-либо (равен nil).

Пример процедуры удаления элемента, заданного текущим указателем (U) из кольцевого двусвязного списка.

procedure DelS2K(Var U:P);

var

q:P;

begin

q:=U^.lp;

q^.ls:=U^.ls;

q:=U^.ls;

q^.lp:=U^.lp;

dispose(U);

U:=nil;

end;

Выбор данных из списка производится без изменения списка, путем ссылки на информационную часть нужного звена: U^.Dt. Чтобы добраться до нужного звена списка, по нему приходится последовательно перемещаться (в цикле, начиная от начала или от текущего звена). Так же как при работе с массивом, для перехода от элемента A[i] к следующему элементу необходимо выполнить i:=i+1.

При работе со списком следует использовать оператор U:=U^ls.

Создав список (в цикле, используя процедуру добавления звена) и поработав с ним, необходимо в конце программы удалить его (также, в цикле, используя процедуру удаления элемента списка, пока он не станет пустым). После этого не забыть удалить заголовок списка.

Нульсвязные списки

К таким спискам относятся стек, очередь и дек. В отличие от прочих типов списков, по которым можно перемещаться, используя находящиеся в звеньях указатели, в нульсвязных списках доступны только элементы на одном или обоих концах. Только после удаления из такого списка доступного элемента, можно получить доступ к следующему элементу, который теперь становится крайним в списке.

В нульсвязных списках нет заглавных звеньев. У них есть только начало и конец. Началом (или начальным звеном) называется звено, которое можно взять из списка, концом – звено, после которого можно добавить в список новый элемент (новое звено).

В языке Паскаль нет средств, позволяющих описывать переменные типа нульсвязных списков. Их приходится моделировать односвязными списками с запретом перемещения по указателям звеньев. Работа с нульсвязными списками выполняется, только используя специальные процедуры и функции. Обычно достаточно использовать функцию проверки не пуст ли список и две процедуры: добавления элемента к списку и выбора элемента из списка (с удалением выбираемого звена).

Рассмотрим варианты нульсвязных списков.

Стек – это нульсвязный список, иногда называемый очередью, с правилом обслуживания LIFO ( Last In – First Out – последним пришел – первым ушел). У стека начало и конец – это одно и то же звено, обычно называемое вершиной стека.

Создание пустого стека – это, по сути, создание указателя на вершину стека (N), и присвоение ему значения nil. Этот указатель в дальнейшем играет роль адреса начала и конца стека текущего звена.

Для добавления элемента данных в стек необходимо составить процедуру, получающую в качестве параметров указатель на вершину стека N и собственно данные Dt. Процедура должна создать динамическую переменную типа звена стека, в поле указателя перенести значение из указателя вершины стека, в поле данных записать значения Dt и в указатель на вершину стека записать адрес созданной динамической переменной. Процедура должна вернуть эту новую вершину стека.

Процедура выбора из стека последнего введенного звена выполняется наоборот: в переменную для выбираемых данных переносятся значения поля Dt, новое значение указателя на вершину стека берется из поля ссылки на следующее звено, а старая вершина стека удаляется процедурой Dispose. В обоих процедурах используется рабочий указатель на звено стека. Описатели типов для стека полностью совпадают с описателями односвязного списка.

Очередь – нульсвязный список с правилом обслуживания FIFO ( First In – First Out – первым пришел – первым ушел).

Для работы с очередью необходимы такие же процедуры, как и для стека. При создании пустой очереди указателям N и K присваивается значение nil. Процедурам добавления в очередь и выбора из очереди приходится передавать указатели на оба конца, так как при создании первого звена, его адрес необходимо занести в оба указателя, а при удалении последнего звена очереди, обоим указателям надо присвоить значение nil.

Дек – это нульсвязный список, в котором добавление и выбор элементов возможен с любого конца. Его можно рассматривать как двусторонний стек или двустороннюю очередь. Название (deque) расшифровывается как double-ended queue – очередь с двумя концами.

Проще всего дек моделировать двусвязным линейным списком, по которому запрещено перемещаться. Формально для него приходится составлять две процедуры добавления и две процедуры удаления элементов, находящихся на первом и втором концах дека. На практике процедуры добавления можно объединить в одну, используя дополнительный признак – к какому концу добавляется элемент. Хотя оба конца дека равноправны, для определенности одну сторону будем называть началом, обозначая указателем NK, а вторую –концом, с обозначением KN.

Обе процедуры удаления элемента также можно объединить в одну. В процедуру добавления (удаления) элемента таким образом придется передавать указатели на оба конца списка, данные (или адрес, куда их поместить при удалении) и признак, в начало ли идет добавление. В зависимости от того, какая сторона будет указана в списке параметров первой, с той и будет производиться работа. Вторая сторона необходима при занесении первого или удалении последнего звена из дека. Примеры этих процедур разобраны в контрольном варианте № 31.

Примеры процедур по добавлению и удалению элементов нульсвязных списков приведены в разобранном ниже контрольном варианте.