2016. Estructuras de Datos. Clase 4 Pilas y colas

3/29/2016 Estructuras de Datos Dr. Sergio A. Gómez Temario Estructuras de Datos Clase 4 – Pilas y colas • TDA Pila: – Definición – Implementación –

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3/29/2016 Estructuras de Datos

Dr. Sergio A. Gómez

Temario Estructuras de Datos Clase 4 – Pilas y colas

• TDA Pila: – Definición – Implementación – Especificación formal

Dr. Sergio A. Gómez http://cs.uns.edu.ar/~sag

• TDA Cola:

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Argentina

– Definición – Implementación – Especificación formal Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

TDA Pila (Stack)

Aplicaciones de Pilas

Pila: Colección de objetos actualizada usando una  política LIFO (last‐in first‐out, el primero en entrar es el  último en salir).

• Navegador web (browser): Registro de páginas  visitadas (implementación de operación “back”) • Editor de textos: Implementación de mecanismo  comportamiento de teclas Retroceso y Escape. • Ejecución de procedimientos y funciones  (recursivos o no): Organización de los registros de  activación • Validación de código HTML • Compilación de una expresión y cálculo de su  valor: Paso de notación infija a postfija

Operaciones: • push(e): Inserta el elemento e en el tope de la pila • pop(): Elimina el elemento del tope de la pila y lo  entrega como resultado. Si se aplica a una pila vacía,  produce una situación de error. • isEmpty(): Retorna verdadero si la pila no contiene  elementos y falso en caso contrario. • top(): Retorna el elemento del tope de la pila. Si se  aplica a una pila vacía, produce una situación de error. • size(): Retorna un entero natural que indica cuántos  elementos hay en la pila. Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

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Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

• Navegador web (browser): Registro de páginas visitadas  (implementación de operación “back”)  Pila de URLs (Pila de  Strings) • Editor de textos: Implementación de mecanismo comportamiento  de teclas Retroceso y Escape.  Pila de caracteres • Ejecución de procedimientos y funciones (recursivos o no):  Organización de los registros de activación  Pila de registros de  activación • Validación de código HTML  Pila de Tags (pila de strings) • Compilación de una expresión y cálculo de su valor: Paso de  notación infija a postfija  Pilas de símbolos (operadores y  operandos).

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Implementación de Pila

Aplicaciones de Pilas: Tipo de los objetos

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

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Definición de una interfaz Pila:  Se abstrae de la ED con la que se  implementará  Se documenta el significado de cada método  en lenguaje natural  Se usa un parámetro formal de tipo  representando el tipo de los elementos de la  pila  Se definen excepciones para las condiciones  de error 5

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

6

El uso total o parcial de este material está permitido siempre que se haga mención explícita de su fuente: “Estructuras de Datos. Notas de Clase”. Sergio A. Gómez. Universidad Nacional del Sur. (c) 203-2016.

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación

Universidad Nacional del Sur

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3/29/2016 Estructuras de Datos

Dr. Sergio A. Gómez

OJO: En la PC usar comentarios  Javadoc.

public interface Stack { // Inserta item en el tope de la pila. public void push( E item );

Implementaciones de pilas 1) Con un arreglo 2) Con una estructura enlazada 3) En términos de una lista (lo dejamos  pendiente hasta dar el TDA Lista)

// Retorna true si la pila está vacía y falso en caso contrario. public boolean isEmpty(); // Elimina el elemento del tope de la pila y lo retorna. // Produce un error si la pila está vacía. public E pop() throws EmptyStackException; // Retorna el elemento del tope de la pila y lo retorna. // Produce un error si la pila está vacía. public E top() throws EmptyStackException; // Retorna la cantidad de elementos de la pila. public int size(); } Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

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8

Pila: Implementación con arreglo

Pila: Implementación con arreglo

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { protected int tamaño; protected E [] datos; … }

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { … }

2 8 7 5 3 s

// Archivo: AplicacionUsaPilaArreglo.java public class AplicacionUsaPilaArreglo { public static void main( String [] args ) { Stack s = new PilaArreglo(); s.push( 3 ); s.push( 5); s.push( 7 ); s.push( 8 ); s.push( 2 ); } }

2 8 7 5

9

3 s

5

7

8

2

0

1

2

3

4

5

6

7

8



MAX‐1

5

tamaño

s

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Pila: Implementación con arreglo

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { protected int tamaño; protected E [] datos; … }

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { protected int tamaño; protected E [] datos; … }

datos

datos 0

tamaño

3

3

Pila: Implementación con arreglo

2 8 7 5

datos

1 0

2

3

4

5

6

7

8



MAX‐1

0

Constructor: Tamaño = 0 datos = (E []) new Object[MAX]

tamaño

NOTA: MAX puede ser una constante o puede ser  recibido en el constructor. 11

1 0

2

3

4

5

6

7

8



MAX‐1

Pila Vacía: isEmpty() Retornar tamaño== 0

s

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El uso total o parcial de este material está permitido siempre que se haga mención explícita de su fuente: “Estructuras de Datos. Notas de Clase”. Sergio A. Gómez. Universidad Nacional del Sur. (c) 203-2016.

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Universidad Nacional del Sur

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Dr. Sergio A. Gómez

Pila: Implementación con arreglo

Pila: Implementación con arreglo

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { protected int tamaño; protected E [] datos; … } datos

2 8 7 5

tamaño

3

5

7

8

2

0

1

2

3

4

5

3

5

6

7

8

// Archivo: PilaArreglo.java public class PilaArreglo implements Stack { protected int tamaño; protected E [] datos; … }



Apilar: Push(E item): Si tamaño == MAX entonces error (“Pila llena”) Sino datos[tamaño] = item tamaño = tamaño + 1

// Archivo: AplicacionUsaPilaEnlazada.java public class AplicacionUsaPilaEnlazada { public static void main( String [] args ) { Stack s = new PilaEnlazada(); s.push( 3 ); s.push( 5); s.push( 7 ); s.push( 8 ); s.push( 2 ); } }

s

21

8

71

51

2 8 7 5

Public class PilaEnlazada implements Stack { protected Nodo head; protected int tamaño;

8

2

2

3

4

5

6

7

8



MAX‐1

Tope: E pop()  Si tamaño == 0 entonces error (“Pila vacía”) Sino aux = datos[tamaño‐1] datos[tamaño‐1] = null tamaño = tamaño – 1 retornar aux

5

21

2 8 7 5 3

8

71

51

Cabeza (head) public class Nodo { private E elemento; private Nodo siguiente;

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Cola (tail)

public Nodo() { this(null, null); }   public Nodo( E item ) {this(item,null); } public Nodo( E item, Nodo sig )  { elemento=item; siguiente=sig; } public E getElemento()  { return elemento;} public void setElemento( E elemento ) { this.elemento=elemento;} public Nodo getSiguiente() { return siguiente;} public void setSiguiente( Nodo siguiente ) {  this.siguiente = siguiente; }                  }

s

Pila: Implementación con nodos  enlazados Cabeza (head)

7

1

Pila: Implementación con nodos  enlazados

// Archivo: PilaEnlazada.java public class PilaEnlazada implements Stack { … }

3

5

0

s

13

Pila: Implementación con nodos  enlazados

2 8 7 5

tamaño

3

3

NOTA: En el caso de la situación de error se puede: (1) Disparar una excepción indicando “pila llena”, o (2) Incrementar el tamaño del arreglo

s

datos

2 8 7 5

MAX‐1

Public class PilaEnlazada implements Stack { protected Nodo head; protected int tamaño; …. }

16

Pila: Implementación con nodos  enlazados

31

21

Cola (tail)

8

71

51

Cabeza (head)

Constructor:

2 8 7 5

Head = null Tamaño = 0

…. }

3

Public class PilaEnlazada implements Stack { protected Nodo head; protected int tamaño; ….

31

Cola (tail)

isEmpty(): Return head == null O

}

Retornar tamaño == 0

3

s

s 17

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El uso total o parcial de este material está permitido siempre que se haga mención explícita de su fuente: “Estructuras de Datos. Notas de Clase”. Sergio A. Gómez. Universidad Nacional del Sur. (c) 203-2016.

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Pila: Implementación con nodos  enlazados 21

8

71

51

Cabeza (head)

31

21

Cola (tail)

Public class PilaEnlazada implements Stack { protected Nodo head; protected int tamaño;

2 8 7 5

Pila: Implementación con nodos  enlazados

…. }

8

71

51

Cabeza (head)

push(E item):

2 8 7 5

Nodo aux =  new Nodo( ) aux.setElemento( item ) aux.setSiguiente( head ) head = aux tamaño = tamaño + 1

3

public class PilaEnlazada implements Stack { protected Nodo head; protected int tamaño;

E pop(): Si isEmpty() entonces error( “Pila vacia” )

Sino aux = head.getElemento() head = head.getSiguiente() tamaño = tamaño – 1 retornar aux

…. }

3

s

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Cola (tail)

s 19

Pila: Implementación con nodos  enlazados 21

8

71

Cabeza (head)

2 8 7 5

51

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Especificación formal de una pila

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Cola (tail)

Pregunta: ¿Por qué conviene insertar en la cabeza de la  lista y no en la cola?

Operaciones: create : Stack push : Stack x E  Stack pop : Stack  Stack isEmpty : Stack boolean top : Stack  E

// Crea una pila vacía // Apila un elemento en una pila // Desapila un elemento de la pila // Testea si la pila está vacía // Retorna el tope de la pila

Axiomas: (1) isEmpty( create ) = true (2) isEmpty( push(s,x) ) = false (3) pop( push(s,x) ) = s (4) top( push( s, x ) )  = x

Si la pila tiene n elementos: Al insertar en la cabeza tenemos operaciones con O(1) Al insertar en la cola tenemos operaciones con O(n)

3 s 21

TDA Cola Cola: Colección de objetos actualizada siguiendo una política  FIFO (first‐in first‐out, el primero en entrar es el primero en  salir) Operaciones: • enqueue(e): Pone el elemento e al final de la cola • dequeue(): Elimina el elemento del frente de la cola y lo  retorna. Si la cola está vacía se produce un error. • front(): Retorna el elemento del frente de la cola. Si la cola  está vacía se produce un error. • isEmpty(): Retorna verdadero si la cola no tiene elementos  y falso en caso contrario • size(): Retorna la cantidad de elementos de la cola. 23

Estructuras de Datos  ‐ Dr. Sergio A. Gómez

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Cola: Aplicaciones • Colas de pedidos para atención por orden de  llegada – Sistema de reservas en una aerolínea – Centros de reservas – Líneas de producción – Colas para atención de procesos – Colas de espera

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El uso total o parcial de este material está permitido siempre que se haga mención explícita de su fuente: “Estructuras de Datos. Notas de Clase”. Sergio A. Gómez. Universidad Nacional del Sur. (c) 203-2016.

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Cola: Aplicaciones

Cola: Aplicaciones (avanzadas)

• Colas de pedidos para atención por orden de  llegada

• Buffer de entrada salida • Socket: Estructura de datos para comunicar  dos programas: un programa inserta (encola)  datos en el socket y otro programa los  consume (desencolando). Los datos son  consumidos en el orden en que se produjeron.

– Sistema de reservas en una aerolínea  Cola de  pasajero – Centros de reservas  Cola de Asistente a  espectáculo – Líneas de producción  Cola de productos – Colas para atención de procesos  Cola de  procesos – Colas de espera  Cola de personas Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

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public interface Queue { // Inserta el elemento e al final de la cola public void enqueue(E e);

Implementación de Cola Definición de una interfaz Cola:  Se abstrae de la ED con la que se  implementará  Se documenta el significado de cada método  en lenguaje natural  Se usa un parámetro formal de tipo  representando el tipo de los elementos de la  pila  Se definen excepciones para las condiciones  de error Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

// Elimina el elemento del frente de la cola y lo retorna.  // Si la cola está vacía se produce un error. public E dequeue() throws EmptyQueueException; // Retorna el elemento del frente de la cola.  // Si la cola está vacía se produce un error. public E front() throws EmptyQueueException; // Retorna verdadero si la cola no tiene elementos  // y falso en caso contrario public boolean isEmpty(); // Retorna la cantidad de elementos de la cola. public int size();  27

}

28

Implementación de cola con un arreglo  circular

Implementaciones de colas 1) Con un arreglo circular 2) Con una estructura enlazada 3) En términos de una lista (lo dejamos  pendiente hasta dar el TDA Lista)

q

f

3

5

7

8

2

0

1

2

3

4

0

r

5

6

7

8



N‐1

5

• q es un arreglo que mantiene los elementos de la cola • El tamaño de q es N • f es la posición en q del próximo elemento a eliminar en un  dequeue • r es la posición en la cual se va a insertar el siguiente  elemento con un enqueue.  • Implementaremos operaciones en O(1) 29

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Implementación de cola con un arreglo  circular q

3

5

7

8

2

0

1

2

3

4

0

f

r

Implementación de cola con un arreglo  circular q

5

6

7

8



N‐1

5

7

8

2

1

2

3

4

0

r

Constructor: f = 0 r = 0

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

3

5

7

8

2

0

1

2

3

4

0

r

Constructor: f = 0 r = 0

6

7

8



N‐1 f

front(): Si isEmpty() entonces error( “cola vacía”) Sino retornar q[f]

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

3

5

7

8

2

0

1

2

3

4

0

r

Constructor: f  0 r  0

33

0 f

5

7

1

2

8

Size(): Retornar (N‐f+r) mod N

N‐1

32

5

6

7

8



N‐1

5

34

Cola: Implementación con nodos  enlazados 5

71

81

21

2

3

0



isEmpty(): Retornar f == r

31

3

8

front(): Si isEmpty() entonces error( “cola vacía”) Sino dequeue(): retornar q[f] Si isEmpty() entonces error( “cola vacía”) Sino temp = q[f];          q[f] = null;  Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez f = (f+1) mod N;   retornar temp

Implementación de cola con un arreglo  circular q

7

Implementación de cola con un arreglo  circular

5

isEmpty(): Retornar f == r

6

Estructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

q 5

5 5

isEmpty(): Retornar f == r

31

Implementación de cola con un arreglo  circular

f

5

0 f

Constructor: f = 0 r = 0

q

3

4 r

5

6

7

8



Cabeza (head)

N‐1

5

public class ColaEnlazada implements Queue { protected Nodo head, tail; protected int tamaño;

Nota: La cola puede almacenar N‐1  elementos a lo sumo

enqueue(e): Si size() == N‐1 entonces  error( “cola llena”) Sino q[r] = e r = (r+1) mod NEstructuras de datos ‐ Dr. Sergio A. Gómez

…. }

Implementaremos operaciones en  orden 1. 35

Cola (tail)

public void enqueue( E elem ) { Nodo nodo = new Nodo(); nodo.setElemento( elem ); nodo.setSiguiente( null ); if (tamaño == 0 ) head = nodo; else tail.setSiguiente( nodo ); tail = nodo; tamaño++; }

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El uso total o parcial de este material está permitido siempre que se haga mención explícita de su fuente: “Estructuras de Datos. Notas de Clase”. Sergio A. Gómez. Universidad Nacional del Sur. (c) 203-2016.

Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación

Universidad Nacional del Sur

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Cola: Implementación con nodos  enlazados 31

5

71

81

Cabeza (head)

….

21

Cola (tail)

public class ColaEnlazada implements Queue { protected Nodo head, tail; protected int tamaño;

}

Problema: Insertar los elementos 1, 2, 3, 4 en una cola y luego  mostrar todos los elementos de la cola.

public E dequeue() throws EmptyQueueException { if( tamaño == 0 ) throw new EmptyQueueException( “cola 

public class App {  public static void main( String [] args ) { try { Queue q = new ColaEnlazada(); for( int i=1; i

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