Standard Template Library Paulo Marques Departamento de Eng. Informática Universidade de Coimbra...

Standard TemplateLibrary

Paulo MarquesDepartamento de Eng. InformáticaUniversidade de Coimbrapmarques@dei.uc.pt O

ut/2

005

Uma Introdução

2

Sobre o que é que vamos falar?

Primeira parte (expositiva): Programação baseada em genéricos (templates) Apresentação da STL Colecções simples: “vector”, “list”, “deque”, “stack” Colecções associativas: “map” e “multimap” Colecções associativas múltiplas: “set” e “multiset” Brevemente: Extensões: “hash_set” e “hash_map” Brevemente: Algoritmos da STL

Segunda parte (prática): Alguns exercícios Caso de estudo

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Qual é o problema da seguinte rotina?

Apenas funciona para inteiros. Se necessitarmos de trocar quaisquer outros tipos de dados, temos de definir várias versões da mesma rotina... void swap(double& a, double& b) void swap(unsigned&a, unsigned& b) void swap(string&a, string& b) ...

// Rotina que troca o valor de duas variáveisvoid swap(int& a, int& b){ int tmp = a; a = b; b = tmp;}

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Programação utilizando genéricos (templates)

Permite criar uma família de funções, parametrizadas por um tipo de dados abstracto. Meta-programação Existe há anos em C++: a STL é baseada neles Adição recente em Java (J2SE 5.0) e .NET (2.0) Semântica de programação potencialmente complicada

(... e também de implementação das linguagens!)

// Rotina que troca o valor de duas variáveis quaisquertemplate<class T>void myswap(T& a, T& b){ T tmp = a; a = b; b = tmp;}

int a = 10;int b = 20;

myswap<int>(a, b);

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Problemática das tabelas de tamanho fixo

Uma grande parte das linguagens actuais fornece ao programador tabelas de tamanho fixo (e.g. C, C++, Java, .NET) Uma vez criadas, o seu tamanho não pode ser redefinido No entanto, em muitas circunstâncias, o programador não

sabe quantos elementos é que a sua tabela terá de armazenar!

// Número máximo de pessoasconst unsigned MAX_SIZE = 10;

// Tabela onde armazenar a altura das pessoasdouble heights[MAX_SIZE];unsigned totalPeople = 0;

// Armazena sucessivamente pessoasdouble height;while (cin >> height) heights[totalPeople++] = height;

Ao chegarmos à décima primeira pessoa... BANG!

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Tabela Dinâmica Genérica

A solução passa por criar uma classe “Tabela Dinâmica”, genérica, capaz de armazenar qualquer tipo de dadosint main()

{ // Tabela dinâmica para armazenar alturas DynamicArray<double> heights;

// Lê a altura das pessoas double altura; while (cin >> altura) heights.push_back(altura); // Calcula e mostra a média das alturas double averageHeight = 0.0; for (unsigned i=0; i<heights.size(); i++) averageHeight+= heights[i]; averageHeight/= heights.size();

cout << averageHeight << endl;

return 0;}

7

O resultado da execução...

8

Interface de DynamicArray

template<class T>class DynamicArray{private: const static int _DEFAULT_CAPACITY = 1;

unsigned int _size; unsigned int _capacity; T* _myArray;

public: DynamicArray(unsigned int size = 0); virtual ~DynamicArray(void);

void push_back(T& element); unsigned int size() const;

T& operator[](unsigned int index) const;};

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Construtor, Destrutor e size() de DynamicArray

// Construtor, leva como parâmetro o tamanho inicial da tabelatemplate<class T>DynamicArray<T>::DynamicArray(unsigned int size) : _size(size), _capacity(_DEFAULT_CAPACITY){ if (_size > 0) _capacity = _size; _myArray = new T[_capacity];}

// Destructortemplate<class T>DynamicArray<T>::~DynamicArray(void){ delete[] _myArray;}

// Retorna o número de elementos na tabelatemplate<class T>unsigned int DynamicArray<T>::size() const{ return _size;}

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Principais operações: push_back() e acesso []

// Acrescenta um elemento à tabela, fazendo uma cópia do mesmotemplate<class T>void DynamicArray<T>::push_back(T& element){ if (_size == _capacity) { _capacity = _capacity * 2; T* newArray = new T[_capacity]; for (unsigned i=0; i<_size; i++) newArray[i] = _myArray[i]; delete[] _myArray; _myArray = newArray; } _myArray[_size] = element; _size++;}

// Retorna uma referência para um elemento da tabela template<class T>T& DynamicArray<T>::operator[](unsigned int index) const{ return _myArray[index];}

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Aviso...

A forma como os compiladores utilizam templates varia radicalmente: é compiler specific: consultar a documentação

Uma possível abordagem relativamente segura e genérica: Incluir o ficheiro .h (i.e. “dynamic_array.h”) Dependentemente do tipo de compilador, definir a macro

TEMPLATE_INCLUSIVE_MODEL na Makefile (ou projecto) Dependentemente do compilador, incluir na compilação a

implementação do template .cpp (i.e. “dynamic_array.cpp”)

#ifndef _DYNAMIC_ARRAY_H_#define _DYNAMIC_ARRAY_H_

template<class T>class DynamicArray{ ...};

#ifdef TEMPLATE_INCLUSIVE_MODEL#include "dynamic_array.cpp"#endif

#endif

#include "dynamic_array.h"

...

#include "dynamic_array.h"

...

dynamic_array.h

dynamic_array.cpp

my_program.cpp

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STL

STL = Standard Template Library Biblioteca contendo algoritmos e estruturas de dados

genéricas para uso em C++

Baseada nas ideias sobre “programação genérica” de Alexander Stepanov. Enquanto trabalhava nos Bell Labs e mais tarde na HP,

implementou o core de uma biblioteca de programação genérica em C++

(1993) É convidado a apresentar as suas ideias sobre programação genérica ao comité de ANSI/ISO do C++. A resposta é entusiástica. Em 1994 a sua proposta para inclusão da biblioteca no standard do C++ é aprovada.

(1994) A HP publica livremente na internet a implementação da STL. Esta implementação, mais tarde modificada pela SGI, constitui a base na maior parte das implementações actualmente disponíveis.

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HP / SGI

Microsoft’s Visual Studio <vector>

GNU’s G++ <vector.tcc>

14A nossa área de foco

STL – Modelo Plug-and-Play

Container Classes

Iterators GenericAlgorithms

Vector

list

istream

ostream

inserterase

inserterase

sort

find

merge

istream_iterator

ostream_iterator

less

equal

greater

FunctionObjects

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Componentes

Containers Armazenam colecções de objectos

Algoritmos Genéricos Realizam operações sobre containers

Iteradores Permitem percorrer um determinado container

Function Objects Realizam cálculos ou combinam dados

Adaptadores Modificam a interface de um componente

(e.g. Stack, PriorityQueue) Allocators

Permitem ao programador controlar explicitamente o uso de memória [perigoso mas poderoso!]

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Colecções Lineares

vector<T>:Corresponde a uma tabela dinâmica, aumentando automaticamente de tamanho sempre que é necessário. Acesso aleatório aos seus elementos muito rápido: O(1) Inserir e apagar elementos do final é eficiente. Tipicamente O(1) Relativamente lento a eliminar elementos do início e do meio.

deque<T>:Semelhante a vector<T> mas permite inserir e apagar elementos de forma muito eficiente do início e fim: O(1).

list<T>:Corresponde a uma lista duplamente ligada. Inserir/apagar elementos é rápido desde que se esteja no local

correcto: O(1). Mas, tal como o acesso, em geral, é O(n). Não suporta acesso aleatórios aos elementos. No entanto

também não desperdiça espaço.

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Exemplo utilizando vector<T>

#include <vector>using namespace std;

void ex_vector(){ // Tabela dinâmica para armazenar alturas vector<double> heights;

// Lê a altura das pessoas double altura; while (cin >> altura) heights.push_back(altura); // Calcula e mostra a média das alturas double averageHeight = 0.0; for (unsigned i=0; i<heights.size(); i++) averageHeight+= heights[i];

averageHeight/= heights.size(); cout << averageHeight << endl;}

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Iteradores

Um iterador permite percorrer uma colecção seguindo uma determinada ordem

Um iterador é uma inner class de cada colecção particular, tendo por nome “iterator”. Para declarar um é necessário utilizar o operador de abrangência ::

vector<int>::iterator it = ...

Para avançar/recuar um iterador utilizam-se os operadores ++ e -- it++ avança o iterador para o próximo elemento, it-- recua-o É ainda possível avançar mais do que um elemento: it+= 2

Para aceder ao elemento apontado utiliza-se o operador * *it retorna o valor actualmente apontado

begin() retorna um iterador para o início de uma colecção end() retorna um iterador para além do final da colecção

(sentinela)

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Exemplo utilizando iteradores

#include <vector>#include <string>#include <iostream>using namespace std;

void ex_iterator(){ // Tabela para armazenar palavras vector<string> words;

// Lê as palavras do stdin para o vector string word; while (cin >> word) words.push_back(word);

// Imprime as palavras lidas vector<string>::iterator it = words.begin(); while (it != words.end()) { cout << *it << endl; ++it; }}

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Exemplo utilizando iteradores reversos

void ex_reverse_iterator(){ // Tabela para armazenar palavras vector<string> words;

// (...)

// Imprime as palavras pela ordem inserida cout << "Palavras pela ordem de insercao:" << endl;

vector<string>::iterator it = words.begin(); for (; it != words.end(); it++) cout << "\t" << *it << endl;

// Imprime as palavras pela ordem inversa cout << endl << "Palavras pela ordem inversa:" << endl;

vector<string>::reverse_iterator rit = words.rbegin(); for (; rit != words.rend(); rit++) cout << "\t" << *rit << endl;}

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Resultado da execução...

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Alguns métodos importantes de vector<T>

vector()Construtor por omissão: o vector fica vazio

vector(size_type n)Construtor que cria um vector com n objectos, com o seu valor por omissão (uso do construtor default)

size_type size() constRetorna o número de elementos no vector

size_type capacity() constRetorna a capacidade actual do vector

bool empty() const Retorna se o vector está vazio

T& operator[](size_type n)Retorna uma referência para o elemento n

T& front()Retorna referência para o primeiro elemento

T& back()Retorna referência para o último elemento

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Alguns métodos importantes de vector<T> (2)

void push_back(const T&) Adiciona um elemento ao final do vector

void pop_back()Remove o último elemento

void clear() Apaga todos os elementos do vector

vector<T>::iterator begin()Retorna um iterador para o início do vector

vector<T>::iterator end()Retorna um iterador para um elemento após o final do vector (sentinela)

vector<T>::reverse_iterator rbegin()Retorna um iterador reverso que começa no último elemento do vector

vector<T>::reverse_iterator rend()Retorna um iterador reverso que aponta para antes do início do vector

void insert(iterator pos, const T& x) Insere um elemento antes de uma posição apontada por um iterador

iterator erase(iterator pos)Apaga um elemento apontado por um iterador

Nota: Para todos os métodos que retornam elementos ou iteradores, existem versões que retornam os correspondentes constantes. E.g. const T& vector<T>::front() const

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Outros aspectos...

Os vectores armazenam cópias dos elementos, não referências

Muitas vezes, é mais sensato armazenar referências (ponteiros) para os objectos do que armazenar os objectos em si. Semântica do Java e .NET Importante se os objectos necessitam de ser utilizados em

diversos locais! Sempre que o vector aumenta de tamanho, é invocado o

construtor por omissão para todos os elementos da nova tabela interna; todos os elementos são copiados; é invocado o destrutor de cada um dos objectos antigos PESADO!

Se à priori se souber que vão ocorrer um certo número de inserções, é sensato reservar o espaço.

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deque<T>

Semelhante a vector<T> mas permite inserir e apagar elementos de forma muito eficiente do início e do final da colecção. Óptimo para implementar sistemas tipo

produtor/consumidor

void deque<T>::push_front(const T& x) Adiciona um elemento ao início

void deque<T>::push_back(const T& x)Adiciona um elemento ao final

T& deque<T>::front() Obtem o primeiro elemento

T& deque<T>::back()Obtem o último elemento

void deque<T>::pop_front()Remove o primeiro elemento

void deque<T>::pop_back()Remove o último elemento

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Exemplo deque<T>

// Simula uma repartição pública (processamento por ordem)class Reparticao{private: deque<string> _pedidos;

public: // Adiciona um pedido ao fim da lista de trabalho a processar void adicionaPedido(const string& pedido) { _pedidos.push_back(pedido); }

// Caso existam pedidos, retorna o primeiro que deu entrada bool retiraPedido(string& pedido) { if (_pedidos.empty()) return false; pedido = _pedidos.front(); _pedidos.pop_front(); return true; }};

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Exemplo deque<T> (2)

void ex_deque(){ Reparticao financas;

financas.adicionaPedido("Impostos_1"); financas.adicionaPedido("Impostos_2"); financas.adicionaPedido("Impostos_3");

string pedido; while (financas.retiraPedido(pedido)) { cout << "PEDIDO: " << pedido << endl; }}

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list<T>

Implementa uma lista duplamente ligada Suporta iteradores para a frente e para trás Ao contrário de vector<T> e deque<T>, não suporta

acesso aleatório (operador []), apenas acesso via iteradores. Tirando isso, o interface é semelhante a deque<T>: push_front(), push_back(), pop_front(), pop_back(), e iteradores.

Inserir um elemento não invalida os iteradores existentes

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Exemplo de list<T> (algo “retorcido”...)

#include <list>#include <iostream>using namespace std;

void ex_list() { // Cria uma lista para conter os números de Fibonacci list<int> fibonacci; fibonacci.push_back(1); fibonacci.push_back(1);

// Dada novo número é a soma de ambos os anteriores! list<int>::iterator current = fibonacci.begin(); for (int i=0; i<10; i++) { int newValue = *current++; newValue+= *current; fibonacci.push_back(newValue); }

// Imprime a lista resultante current = fibonacci.begin(); while (current != fibonacci.end()) cout << *current++ << endl;}

30

Resultado da execução...

31

Que estrutura utilizar?

Estrutura Condições

vector - Acesso aleatório aos elementos- Baixa necessidade de eliminar elementos do início/meio, ou caso esta exista, apenas em colecções “pequenas”- Estrutura base de armazenamento para apoio a outras

deque - Condições de vector mas em que é necessário introduzir e eliminar eficientemente elementos no início e fim da colecção

list - Elevada necessidade de eliminar elementos do início ou meio da colecção, especialmente em colecções “grandes”- Baixa necessidade de utilização de elementos intermédios- Colecções “grandes” em que é necessário armazenar efectivamente os elementos (não referências). Caso se necessite armazenar referências, considerar seriamente o uso de vector

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Colecções Associativas – Motivação I

Suponhamos que necessitamos de armazenar 100.000 pessoas em memória. Essas pessoas serão pesquisadas por Bilhete de Identidade. A pesquisa de cada pessoa demora 50us

JOANA FRANCISCA 10896534 R. Fernão Lop

Qual é o problema se quisermos encontrar a pessoacom o BI Nº 10896534?

Esquecendo as caches, se usarmos uma estrutura linear (e.g. vector)Tempo de acesso a uma pessoa = 50usEm média temos de percorrer ½ tabela = 50.000 entradas50000 entradas X 50us = 2500000us = 2.5s!!!

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Colecções Associativas – Motivação I (2)

Se as pessoas forem armazenadas numa árvore binária equilibrada...

log2(100.000) 16

Tempo de acesso a uma pessoa = 50usEm média temos de percorrer ½ árvore = 16/2 entradas = 8 entradas

8 entradas X 50us = 400us = 0.0004s!!!

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Colecções Associativas – Motivação II

É muito simpático poder escrever...

#include <iostream>#include <string>#include <map>using namespace std;

void ex_map() { map<int,string> baseDeDados;

baseDeDados[10609100] = "Carlos Manuel"; baseDeDados[10432546] = "Joaquim Antonio"; baseDeDados[34545442] = "Silvino Costa"; int numeroBI; while (cin >> numeroBI) { if (baseDeDados.count(numeroBI) == 0) cout << "Pessoa nao encontrada" << endl; else cout << “Nome da pessoa: " << baseDeDados[numeroBI] << endl; }}

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Colecções Associativas

map<TKey,TValue> e multimap<TKey,TValue>:Corresponde a uma árvore binária equilibrada (tipicamente, uma árvore red-black), permitindo armazenar elementos que são pesquisáveis por uma chave. Acesso aos seus elementos muito eficiente O(logN) Os elementos são mantidos ordenados por chave multimap permite manter vários elementos por chave

set<T> e multiset<T>:Permite armazenar um conjunto elementos em que o seus próprios valores constituem as chaves de procura. Ou seja... permite verificar se um elemento se encontra presente

ou não multiset permite armazenar vários elementos idênticos

hash_map<TKey, TValue> e hash_set<T>:Semelhantes aos acima mencionados mas baseados em tabelas de dispersão (hashtables) Inserir, apagar e pesquisar elementos é muito rápido: O(1) Os elementos não são mantidos ordenados Infelizmente, (ainda) não faz parte do ANSI/ISO standard

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Utilização de map<TKey,TValue>

tabelaAssociativa.count(key) conta o número de ocorrências do objecto identificado por key na colecção

tabelaAssociativa[key] = obj; coloca na tabela associativa o objecto obj identificando-o por key

obj = tabelaAssociativa[key]; retira da tabela associativa o objecto representado por key

map<TKey,TValue> tabelaAssociativa;

Chave depesquisa

Objecto aguardar

Se o objecto não existir na tabela, é automaticamente colocado na tabela um novo objecto com essa chave, sendo utilizado o construtor por omissão de TValue!

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Acesso aos elementos...

(...)

if (baseDeDados.count(numeroBI) == 0) cout << "Pessoa não encontrada." << endl;else cout << "Pessoa: " << baseDeDados[numeroBI] << endl;

(...)

Duas pesquisas na árvore!

(...)

map<int,string>::iterator result = baseDeDados.find(numeroBI); if (result == baseDeDados.end()) cout << "Pessoa não encontrada." << endl;else cout << "O nome da pessoa é: " << result->second << endl;

(...)

Uma única pesquisa na árvore!

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A operação map<TKey,TValue>::find()

O método find retorna um iterador que refere uma estrutura pair<TKey,TValue> O primeiro elemento do pair é a chave do objecto O segundo elemento é o valor do objecto

Um pair é algo semelhante a:

template <class T, class Q>struct pair { T first; Q second;}

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Uso de typedefs

É vulgar utilizarem-se typedef’s para simplificar o código

// Definição da Base-de-dadosmap<int,string> baseDeDados;

typedef pair<int,string> pessoa;typedef map<int,string>::iterator bd_iterator;

// Coloca pessoas na BD// (...)

// Localiza a pessoa com o BI 10609129bd_iterator it = baseDeDados.find(10609129);if (it != baseDeDados.end()){ pessoa bi_nome = *it++; cout << "BI: " << bi_nome.first << endl; cout << "Nome: " << bi_nome.second << endl;}

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Uso de typedefs (2)

Vejamos o conteúdo da base-de-dados...#include <iostream>#include <string>#include <map>using namespace std;

typedef map<int,string> BaseDeDados;typedef pair<int,string> pessoa;typedef map<int,string>::iterator BD_iterator;

void ex_map3() { BaseDeDados bd;

bd[10324] = "Joana Sampaio"; bd[34434] = "Patricio Domingues"; bd[12667] = "Bruno Cabral"; bd[76768] = "Catarina Reis";

BD_iterator it = bd.begin(); while (it != bd.end()) { pessoa bi_nome = *it++; cout << "BI: " << bi_nome.first << endl; cout << "Nome: " << bi_nome.second << endl << endl; }}

41

Resultado da execução...

Note-se que os elementos são mantidos ordenados no map!

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Alguns aspectos importantes de map<TKey,TValue>

Os elementos são mantidos ordenados no map Tal é intrínseco à árvore red-black associada. A classe TKey tem de suportar a noção de ordem

(i.e. o operador “<“ tem de ser válido – definido!)

Caso se coloque na tabela um elemento que já esteja na mesma (i.e. que tenha a mesma chave), o que lá se encontra é substituído A classe multimap permite armazenar vários elementos

para a mesma chave

Os iteradores de map apontam sempre para tipos pair<TKey,TValue>

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Alguns métodos importantes de map<TKey,TValue>

map()Construtor por omissão: o map fica vazio

map<TKey,TValue>::iterator begin()Retorna um iterador para o primeiro elemento

map<TKey,TValue>::iterator end() Retorna um iterador para além do último elemento

size_type size() constRetorna o número de elementos no map

bool empty() constRetorna se a tabela está vazia

map<TKey,TValue>::iterator find(const TKey& key)Encontra o elemento de chave key

size_type erase(const TKey& key)Elimina o elemento de chave key

size_type erase(map<TKey,TValue>::iterator it)Elimina o elemento apontado por it

size_type count(const TKey& key) Conta o número de elementos presentes com a chave key

TValue& operator[](const Tkey& key) Retorna uma referência para o elemento de chave key; caso necessário, acrescentando um novo à tabela

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mutimap<TKey,TValue>

Bastante semelhante a map mas permite ter vários valores para a mesma chave.typedef multimap<string,int> AgendaTelefonica;typedef multimap<string,int>::iterator agenda_iterator;typedef pair<string,int> entrada_agenda;

void ex_multimap() { AgendaTelefonica telefones;

telefones.insert(entrada_agenda("Paulo Marques", 914144687)); telefones.insert(entrada_agenda("Paulo Marques", 964324546)); telefones.insert(entrada_agenda("Rita Queiroz", 933409876)); telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral", 918788755)); telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral", 930012232));

string pessoa("Paulo Marques"); cout << pessoa << ":" << endl;

agenda_iterator it = telefones.find(pessoa); for (unsigned i=0; i<telefones.count(pessoa); i++, it++) { cout << "\t" << it->second << endl; }}

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Notas sobre mutimap<TKey,TValue>

Os elementos têm de ser inseridos usando insert(), com um pair<TKey,TValue>. Não existe operador de acesso [].

find() retorna um iterador para o primeiro elemento encontrado O iterador não é para percorrer todos os elementos

correspondentes à pesquisa. É apenas uma referência para o primeiro.

Dado que multimap está garantidamente ordenado, os seguintes podem ser acedidos avançando o iterador até um número de vezes igual a count()

Tal como em map, o iterador refere-se a uma estrutura pair. O primeiro elemento contém a chave, o segundo o valor

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set<T>

Semelhante a map mas os elementos são a própria chave. A principal utilidade é testar de um elemento se encontra presente

ou não; secundariamente, armazenar elementos (se bem que vector ou list poderão ser melhor alternativas)

Os elementos são mantidos ordenados (necessidade da existência do operador “<“)

void ex_set() { // Pessoas que se encontram num edifício set<string> edificio;

// Pessoas as entrarem e a saírem do edifício edificio.insert("Carlos"); edificio.insert("Miguel"); edificio.erase("Carlos"); edificio.insert(“Maria");

// Verifica se "Miguel" está presente if (edificio.find("Miguel") != edificio.end()) cout << “Miguel presente no edifício!" << endl; else cout << “Miguel fora do edifício." << endl;}

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multiset<T>

Semelhante a set<T>, mas os elementos podem aparecer mais do que uma vez.

void ex_multiset() { multiset<unsigned> notasExame;

// Gera aleatoriamente um conjunto de notas (0-20) for (unsigned i=0; i<200; i++) { int nota = rand()%11 + rand()%11; notasExame.insert(nota); }

// Gera um histograma dos resultados cout << setw(6) << "Nota" << " | " << setw(6) << "Vezes |" << endl; for (unsigned nota=0; nota<=20; nota++) { cout << setw(6) << nota << " | " << setw(6) << notasExame.count(nota) << "|"; for (unsigned j=0; j<notasExame.count(nota); j++) cout << "#"; cout << endl; }}

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O resultado da execução...

49

Porque é que o seguinte código não é válido?

struct Pessoa{ int BI; string nome;

// ######################################

Pessoa(int o_BI, const string& o_nome) : BI(o_BI), nome(o_nome) { }};

void ex_set3(){ set<Pessoa> filaDoMercado;

filaDoMercado.insert( Pessoa(432532, "Jorge Manuel") );}

O operador “<“ nãose encontra definido!!

Não sabemos comoinserir na árvoresubjacente...

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Não esquecer...

Se vão ser utilizados tipos definidos pelo programador como chaves em map<TKey,TValue> e set<T>, é necessário, no mínimo, que o operador de ordem (“<“) esteja definido.

bool operator<(const Pessoa& other) const { return BI < other.BI; }

struct Pessoa{ int BI; string nome; // ---------------- Pessoa(int o_BI, const string& o_nome) : BI(o_BI), nome(o_nome) { }

};

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hash_map<TKey,TValue>, hash_set<T>

Ambas as classes têm o mesmo interface do que map e set no entanto, a implementação subjacente é uma tabela de dispersão (hashtable) Inserir, remover e pesquisar elementos é muito rápido

insert("Paulo Marques", 30)

hash(“Paulo Marques”) = 32748

0

1

2

3

4

5

6

32748%7 = 230

find("Paulo Marques")

hash(“Paulo Marques”) = 32748

32748%7 = 2

Hashtable

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hash_map<TKey,TValue>, hash_set<T> (2)

Actualmente não fazem parte do standard É muito provável que venham a fazer A maior parte dos compiladores inclui-as, embora variando

o espaço de nomes onde se encontram (e.g. std::, stdext::)

Os elementos não se encontram ordenados Apenas o operador de igualdade é necessário (==)

O sistema tem de saber calcular um código de dispersão (hashcode) sobre os objectos usados como chave

Também existem os análogos de multimap e multiset: hash_multimap e hash_multiset

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Um teste de performance...

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Que estrutura utilizar?

Estrutura Condições

map /multimap

- Necessidade de armazenar elementos em que os mesmos têm de ser rapidamente pesquisados por uma chave de procura- Necessidade de armazenar elementos (automaticamente) ordenados de acordo com um certo critério- Caso só possa existir um elemento armazenado por chave de procura utiliza-se o map, caso contrário, o multimap

set / multiset

- Nas condições de map/multimap mas em que a chave de procura é o próprio elemento

hash_map / hash_set

- Não existe necessidade de obedecer ao standard ANSI C++- Necessidade de uma maior velocidade de inserção, pesquisa e apagamento do que em map/multimap- Não é necessário (ou não faz sentido) existir um ordenamento por chave

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Adaptadores

Para além dos Containers básicos, existe um conjunto de classes que mascaram essas colecções e implementam um conjunto de estruturas de dados bastante úteis.

stack<T>:Armazena um conjunto de elementos permitindo inserir e retirar elementos segundo uma política FIRST-IN-LAST-OUT

Tipicamente utiliza um deque<T> como estrutura subjacente push(), pop(), top()

queue<T>:Armazena um conjunto de elementos permitindo inserir e retirar elementos segundo uma política FIRST-IN-FIRST-OUT

Tipicamente utiliza um deque<T> como estrutura subjacente push(), pop(), front(), back()

priority_queue<T>:Armazena um conjunto de elementos mantendo-os automaticamente ordenados

Tipicamente utiliza um vector<T> como estrutura subjacente (!! Cuidado !!)

push(), pop(), top()

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Algoritmos

A STL possui um largo conjunto de algoritmos que actuam sobre colecções

Os algoritmos dividem-se em categorias: Não Modificantes: for_each(), find(), find_if(),

adjacent_find(), find_first_of(), count(), count-if(), mismatch(), equal(), search(), search_n(), find_end(), ...

Modificantes: copy(), copy_n(), copy_backwards(), swap(), replace(), replace_if(), replace_copy(), replace_copy_if(), fill(), fill_n(), remove(), unique(), ...

Ordenamento: sort(), binary_sort(), includes(), set_union(), set_intersection(), min(), max(), ...

Numéricos: accumulate(), inner_product(), partial_sum(), power(), ...

Fortemente baseados no uso de iteradores

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Ordenar um vector

#include <vector>#include <iostream>#include <algorithm>using namespace std;

void print(vector<int>& v) { for (unsigned i=0; i<v.size(); i++) cout << v[i] << "\t"; cout << endl;}

void ex_algorithms() { // Um vector não ordenado vector<int> v;

// Acrescenta 10 números aleatórios ao vector for (unsigned i=0; i<10; i++) v.push_back(rand()%100);

// Mostra o vector antes e depois de ordenado print(v); sort(v.begin(), v.end()); print(v);}

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O resultado da execução...

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Mas, podemos re-escrever o código...

int random_number() { return rand() % 100;}

void ex_algorithms2(){ // v irá conter 10 valores aleatórios vector<int> v(10); generate(v.begin(), v.end(), random_number);

// Imprime a tabela for_each(v.begin(), v.end(), print_element<int>()); cout << endl;

// Ordena a tabela sort(v.begin(), v.end());

// Imprime a tabela for_each(v.begin(), v.end(), print_element<int>()); cout << endl;}

60

print_element<int>

Trata-se de uma “função unária” definida por nós... A STL define outros tipos de funções (e.g. binárias... )

#include <functional>

template <class T>struct print_element : public unary_function<T,void>{ void operator()(T& toPrint) { cout << setw(5) << toPrint; }};

61

print_element<int>

Trata-se de uma “função unária” definida por nós... A STL define outros tipos (e.g. binária... )

#include <functional>

template <class T>struct print_element : public unary_function<T,void>{ void operator()(T& toPrint) { cout << setw(5) << toPrint; }};

Método invocado na função

Tipo que devolve

Tipo do parâmetro de entrada

62

E o resultado é...

63

Um último exemplo do uso de algoritmos...

#define N_ELEMENTS(table,type) ( sizeof(table) / sizeof(type) )

void ex_set2() { // Cria duas tabelas estáticas int tabelaA[] = { 1, 2, 3, 4 }; int tabelaB[] = { 3, 4, 5, 6 };

// Calcula um conjunto resultante contendo a intercepção entre elas set<int> result; insert_iterator< set<int> > addToResult_it(result, result.begin());

set_intersection(tabelaA, tabelaA + N_ELEMENTS(tabelaA,int), tabelaB, tabelaB + N_ELEMENTS(tabelaB,int), addToResult_it);

// Imprime o resultado ostream_iterator<int> output(cout, " ");

cout << endl << "Conjunto A: \t"; copy(tabelaA, tabelaA + N_ELEMENTS(tabelaA,int), output);

cout << endl << "Conjunto B: \t"; copy(tabelaB, tabelaB + N_ELEMENTS(tabelaB,int), output);

cout << endl << "INTER(A,B): \t"; copy(result.begin(), result.end(), output);}

64

Iteradores

No exemplo anterior vimos que é possível construir um iterador para inserções: insert_iterator

Vimos também que é possível criar um iterador que envia os dados para uma stream de output: ostream_iterator

Toda a STL é baseada em iteradores, dos quais existem os seguintes tipos: Input Iterators: Referem um objecto e podem ser

incrementados (apontados) para o próximo. Output Iterators: Permitem escrever objectos e ser

incrementados Forward Iterator: Permitem ler e escrever, sendo apenas

incrementáveis para o próximo. Bidirectional Iterators: Similar aos forward iterators mas

permitem avançar ou recuar. Random Access Iterators: Permitem acessos aleatórios à

colecção subjacente (inc. aritmética de ponteiros)

65

Iteradores (2)

Usandos estes conceitos de iteradores, os tipos concretos são... istream_iterator ostream_iterator reverse_iterator reverse_bidirectional_iterator insert_iterator front_insert_iterator back_insert_iterator input_iterator output_iterator forward_iterator bidirectional_iterator random_access_iterator

Felizmente, em geralnão é necessário preocuparmo-nos comestes detalhes...

66

Onde estamos nós?

OK!Container Classes

Iterators GenericAlgorithms

Vector

list

istream

ostream

inserterase

inserterase

sort

find

merge

istream_iterator

ostream_iterator

less

equal

greater

FunctionObjects

Pouco aprofundado

67

Uma questão importante...

Um aspecto extremamente importante quando se usa a STL (e, na verdade, C++), é não fazer cópias desnecessárias de objectos

Regra geral, os objectos devem ser guardados num local. Caso estes sejam necessários noutras classes/métodos, devem de se utilizar referências Evita a chamada a copy-constructors e assigment operators Cada referência ocupa apenas 4 bytes (máquinas de 32bits)

Data

IndexA IndexB IndexC

1

*

1

*

1

*

«references» «references» «references»

68

Pequeno exemplo

Pretende-se desenhar uma classe EMPREGADOS que permite armazenar PESSOAs Cada pessoa tem um

“nome”, uma “morada” e um “BI”

Vamos assumir que não existem duplicados (pessoas a viverem no mesmo local, com o mesmo nome ou com o mesmo BI)

A classe tem de suportar pesquisas de forma eficiente por “nome”, “morada” e “bilhete de identidade” As pesquisas devolvem uma

cópia da ficha (Pessoa). [Porquê uma cópia?]

+adicionaPessoa()+procuraPorNome()+procuraPorMorada()+procuraPorBI()

-_nomeIndex-_moradaIndex-_BIIndex

Empregados

1 *+_nome+_morada+_bi

Pessoa

NomeIndex : map<string,Pessoa*>

MoradaIndex : map<nome,Pessoa*>

BIIndex : map<int,Pessoa*>

1

*

1

*

1

*

Estes três objectoscorrespondemàs instâncias em"Empregados"

69

Classe Empregados

class Empregados{private: map<string,Pessoa*> _nomeIndex; map<string,Pessoa*> _moradaIndex; map<int,Pessoa*> _BIIndex;

public: Empregados(); virtual ~Empregados();

void adicionaPessoa(const Pessoa& pessoa);

bool procuraPorNome(const string& nome, Pessoa& result); bool procuraPorMorada(const string& morada, Pessoa& result); bool procuraPorBI(int bi, Pessoa& result);};

70

Estrutura Pessoa

struct Pessoa{ string nome; string morada; int bi;

Pessoa() {}

Pessoa(const string& o_nome, const string& a_morada, int o_bi) : nome(o_nome), morada(a_morada), bi(o_bi) {}

void print() { cout << "\t [ " << nome << " / " << morada << " / " << bi << "]" << endl; }};

71

Implementação de Empregados

Empregados::Empregados(){}

void Empregados::adicionaPessoa(const Pessoa& pessoa){ Pessoa* p = new Pessoa(pessoa); _nomeIndex[pessoa.nome] = p; _moradaIndex[pessoa.morada] = p; _BIIndex[pessoa.bi] = p;}

Empregados::~Empregados(){ map<int,Pessoa*>::iterator it = _BIIndex.begin(); while (it != _BIIndex.end()) { Pessoa* p = it->second; ++it; delete p; }}

72

Implementação de Empregados (2)

bool Empregados::procuraPorNome(const string& nome, Pessoa& result) { map<string,Pessoa*>::iterator it = _nomeIndex.find(nome); if (it == _nomeIndex.end()) return false; else { result = *(it->second); return true; }}

bool Empregados::procuraPorMorada(const string& nome, Pessoa& result) { // Similar ao método acima }

bool Empregados::procuraPorBI(int bi, Pessoa& result) { map<int,Pessoa*>::iterator it = _BIIndex.find(bi); if (it == _BIIndex.end()) return false; else { result = *(it->second); return true; }}

73

Test Drive

Empregados loja;loja.adicionaPessoa(Pessoa("Maria", "Coimbra, 2", 234345));loja.adicionaPessoa(Pessoa("Sofia", "Lisboa, 3", 565655));loja.adicionaPessoa(Pessoa("Tania", "Porto, 5", 435675));

// ##########################################const int N = 4;const string nomes[N] = { "Maria", "Carlos", "Antonio", "Tania" };

Pessoa resultado;for (unsigned i=0; i<N; i++){ cout << "A pesquisar nome: " << nomes[i] << endl; if (loja.procuraPorNome(nomes[i], resultado)) resultado.print(); else cout << "\t Nao encontrado" << endl;}

(...)

74

Resultado da Execução...

75

Para aprender mais...

Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your Use of the Standard Template Library, by Scott MeyersAddison-Wesley, June 2001

The C++ Standard Library : A Tutorial and Reference, by Nicolai M. JosuttisAddison-Wesley Professional, August 1999

C++ Primer, 4th Editionby Stanley B. Lippman et. al.Addison-Wesley Professional, Feb. 2005 “A bíblia laica do C++”, com cobertura

adequada da STL

Standard Template Library Programmer's Guide SGI Online Reference: http://www.sgi.com/tech/stl/

76

IMPORTANT NOTICE

YOU ARE FREE TO USE THIS MATERIAL FOR YOUR PERSONAL LERNING OR REFERENCE, DISTRIBUTE IT AMONG COLLEGUES OR EVEN USE IT FOR TEACHING CLASSES. YOU MAY EVEN MODIFY IT, INCLUDING MORE INFORMATION OR CORRECTING STANDING ERRORS.

THIS RIGHT IS GIVEN TO YOU AS LONG AS YOU KEEP THIS NOTICE AND GIVE PROPER CREDIT TO THE AUTHOR. YOU CANNOT REMOVE THE REFERENCES TO THE AUTHOR OR TO THE INFORMATICS ENGINEERING DEPARTMENT OF THE UNIVERSITY OF COIMBRA.

(c) 2005 – Paulo Marques, pmarques@dei.uc.pt

Standard TemplateLibrary

Paulo MarquesDepartamento de Eng. InformáticaUniversidade de Coimbrapmarques@dei.uc.pt O

ut/2

005

Sessão Prática

78

Problema 1 – Conta Palavras

Implemente um programa que dado um ficheiro de texto, conte o número de ocorrências de cada palavra nesse ficheiro. Assuma que o ficheiro pode ser de gigantesco (1 ou 2GB) Assuma que o número de palavras diferentes pode ser

bastante elevado Como resultado da execução deve ser enviado

para o ecrã o número de ocorrências de cada palavra (par palavra/nº vezes). Numa primeira fase apresente o resultado por ordem

alfabética de palavras Numa segunda fase, apresente o resultado por ordem de

ocorrência de palavras (na mais frequente para a menos)

Não é necessário preocupar-se com a leitura do ficheiro: pode lê-lo do standard input:

$ ./ocorrencias <romance.txt

79

Problema 2 – Anagramas

Dado um dicionário de palavras de uma língua, encontrar todos os anagramas existentes. Por exemplo: “barragem”, “embargar” são anagramas pois

escrevem-se exactamente com as mesmas letras.

O ficheiro “english.txt” contém um dicionário de inglês que poderá utilizar nos seus testes. Se desejar, poderá ser-lhe fornecido um dicionário de

Português, mas nesse caso terá de ser preocupar com os acentos...

O ficheiro também contém palavras que começam por maiúscula

Qual é o maior número de anagramas existentes? Numa primeira fase mostre apenas os existentes Numa segunda, mostre do maior número de anagramas para o

menor.

80

Problema 3 – Árvore Mínima Abrangente

1

1

1

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

1

1

10

5

2

343

5

Árvore Mínima Abrangente: Uma árvore que passa por todos os nodos em que o custo total é mínimo.(Nota: isto não é uma árvore que minimiza o caminho/tempo que os pacotes têm de percorrer!)

81

Árvore Mínima Abrangente

1

1

1

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

1

1

10

5

2

343

5

82

“Algoritmo de Prim”

Começa-se com uma aresta de peso mínimo

Até que não seja possível adicionar arestas (altura em que formaria um ciclo) Encontrar a aresta de menor peso ligado a um nodo

existente na árvore mínima actual e que não forme um ciclo se for adicionado

Adiciona-se essa aresta à árvore mínima actual

83

Funcionalidades do Programa

Dada a descrição de uma rede: Permite modelar essa

rede Calcula a árvore mínima

abrangente Imprime a árvore

mínima abrangente Simula o envio de um

pacote de um nodo para outro

int main(){ Network net;

net.addConnection("A", "D", 1); net.addConnection("B", "D", 1); net.addConnection("D", "E", 3); net.addConnection("C", "E", 1); net.addConnection("D", "F", 2); net.addConnection("E", "F", 4); net.addConnection("F", "G", 3); net.addConnection("G", "I", 1); net.addConnection("F", "J", 1); net.addConnection("F", "H", 5); net.addConnection("H", "K", 10);

net.calculateMinimumSpanningTree(); net.printMinimumSpanningTree(); net.sendPacket("C", "K");

return 0;}