Standard Template
Library
Out/2005
Uma Introdução
Paulo Marques
Departamento de Eng. Informática
Universidade de Coimbra
[email protected]
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
2
Qual é o problema da seguinte rotina?
// Rotina que troca o valor de duas variáveis
void swap(int& a, int& b)
{
int tmp = a;
a = b;
b = tmp;
}

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)
...
3
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 quaisquer
template<class T>
void myswap(T& a, T& b)
{
T tmp = a;
a = b;
int a = 10;
b = tmp;
int b = 20;
}
myswap<int>(a, b);
4
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 pessoas
const unsigned MAX_SIZE = 10;
// Tabela onde armazenar a altura das pessoas
double heights[MAX_SIZE];
unsigned totalPeople = 0;
// Armazena sucessivamente pessoas
double height;
while (cin >> height)
heights[totalPeople++] = height;
Ao chegarmos à décima primeira pessoa... BANG!
5
Tabela Dinâmica Genérica

A solução passa por criar uma classe “Tabela Dinâmica”,
genérica, capaz de armazenar qualquer tipo de dados
int 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;
}
6
O resultado da execução...
7
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;
};
8
Construtor, Destrutor e size() de DynamicArray
// Construtor, leva como parâmetro o tamanho inicial da tabela
template<class T>
DynamicArray<T>::DynamicArray(unsigned int size) :
_size(size), _capacity(_DEFAULT_CAPACITY)
{
if (_size > 0)
_capacity = _size;
_myArray = new T[_capacity];
}
// Destructor
template<class T>
DynamicArray<T>::~DynamicArray(void)
{
delete[] _myArray;
}
// Retorna o número de elementos na tabela
template<class T>
unsigned int DynamicArray<T>::size() const
{
return _size;
}
9
Principais operações: push_back() e acesso []
// Acrescenta um elemento à tabela, fazendo uma cópia do mesmo
template<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];
}
10
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”)
dynamic_array.h
#ifndef _DYNAMIC_ARRAY_H_
#define _DYNAMIC_ARRAY_H_
dynamic_array.cpp
#include "dynamic_array.h"
template<class T>
class DynamicArray
{
...
};
#ifdef TEMPLATE_INCLUSIVE_MODEL
#include "dynamic_array.cpp"
#endif
#endif
...
my_program.cpp
#include "dynamic_array.h"
...
11
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.
12
HP / SGI
Microsoft’s Visual Studio <vector>
GNU’s G++ <vector.tcc>
13
STL – Modelo Plug-and-Play
Container
Classes
Iterators
Generic
Algorithms
Function
Objects
Vector
insert
erase
sort
less
list
insert
erase
find
equal
merge
greater
istream
ostream
istream_
iterator
ostream_
iterator
A nossa área de foco
14
Componentes

Containers


Algoritmos Genéricos


Realizam cálculos ou combinam dados
Adaptadores


Permitem percorrer um determinado container
Function Objects


Realizam operações sobre containers
Iteradores


Armazenam colecções de objectos
Modificam a interface de um componente
(e.g. Stack, PriorityQueue)
Allocators

Permitem ao programador controlar explicitamente o uso de
memória [perigoso mas poderoso!]
15
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.
16
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;
}
17
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 ::


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 *


vector<int>::iterator it = ...
*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)
18
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;
}
}
19
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;
}
20
Resultado da execução...
21
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() const
Retorna o número de elementos no vector
size_type capacity() const
Retorna 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
22
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
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
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
23
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.
24
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





25
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;
}
};
26
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;
}
}
27
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
28
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;
}
29
Resultado da execução...
30
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
31
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 pessoa
com o BI Nº 10896534?
Esquecendo as caches, se usarmos uma estrutura linear (e.g. vector)
Tempo de acesso a uma pessoa = 50us
Em média temos de percorrer ½ tabela = 50.000 entradas
50000 entradas X 50us = 2500000us = 2.5s!!!
32
Colecções Associativas – Motivação I (2)

Se as pessoas forem armazenadas numa árvore binária
equilibrada...
log2(100.000)
 16
Tempo de acesso a uma pessoa = 50us
Em média temos de percorrer ½ árvore = 16/2 entradas = 8 entradas
8 entradas X 50us = 400us = 0.0004s!!!
33
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;
}
}
34
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.




set<T> e multiset<T>:
Permite armazenar um conjunto elementos em que o seus próprios
valores constituem as chaves de procura.



Acesso aos seus elementos muito eficiente O(logN)
Os elementos são mantidos ordenados por chave
multimap permite manter vários elementos por chave
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
35
Utilização de map<TKey,TValue>
map<TKey,TValue> tabelaAssociativa;
Chave de
pesquisa



Objecto a
guardar
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
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!
36
Acesso aos elementos...
(...)
Duas pesquisas na árvore!
if (baseDeDados.count(numeroBI) == 0)
cout << "Pessoa não encontrada." << endl;
else
cout << "Pessoa: " << baseDeDados[numeroBI] << endl;
(...)
Uma única pesquisa 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;
(...)
37
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;
}
38
Uso de typedefs

É vulgar utilizarem-se typedef’s para simplificar o código
// Definição da Base-de-dados
map<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 10609129
bd_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;
}
39
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]
bd[34434]
bd[12667]
bd[76768]
=
=
=
=
"Joana Sampaio";
"Patricio Domingues";
"Bruno Cabral";
"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;
}
}
40
Resultado da execução...
Note-se que os elementos são
mantidos ordenados no map!
41
Alguns aspectos importantes de map<TKey,TValue>

Os elementos são mantidos ordenados no map



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


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!)
A classe multimap permite armazenar vários elementos para a
mesma chave
Os iteradores de map apontam sempre para tipos
pair<TKey,TValue>
42
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() const
Retorna o número de elementos no map
bool empty() const
Retorna 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
43
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",
telefones.insert(entrada_agenda("Paulo Marques",
telefones.insert(entrada_agenda("Rita Queiroz",
telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral",
telefones.insert(entrada_agenda("Bruno Cabral",
914144687));
964324546));
933409876));
918788755));
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;
}
}
44
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
45
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;
}
46
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;
}
}
47
O resultado da execução...
48
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)
{
}
Não sabemos como
};
void ex_set3()
{
set<Pessoa> filaDoMercado;
O operador “<“ não
se encontra definido!!
inserir na árvore
subjacente...
filaDoMercado.insert( Pessoa(432532, "Jorge Manuel") );
}
49
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.
struct Pessoa
{
int
BI;
string nome;
// ---------------Pessoa(int o_BI, const string& o_nome) :
BI(o_BI), nome(o_nome)
{
}
bool operator<(const Pessoa& other) const
{
return BI < other.BI;
}
};
50
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
Hashtable
insert("Paulo Marques", 30)
hash(“Paulo Marques”) = 32748
0
32748%7 = 2
32748%7 = 2
hash(“Paulo Marques”) = 32748
1
2
30
3
4
5
find("Paulo Marques")
6
51
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
52
Um teste de performance...
53
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
54
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



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(), top()
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()
55
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
56
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);
}
57
O resultado da execução...
58
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;
}
59
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;
}
};
60
print_element<int>

Trata-se de uma “função unária” definida por nós...

A STL define outros tipos (e.g. binária... )
Tipo que devolve
Tipo do parâmetro de entrada
#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
61
E o resultado é...
62
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);
}
63
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)
64
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 geral
não é necessário
preocuparmo-nos com
estes detalhes...
65
Onde estamos nós?
OK!
Container
Classes
Pouco aprofundado
Iterators
Generic
Algorithms
Function
Objects
Vector
insert
erase
sort
less
list
insert
erase
find
equal
merge
greater
istream
ostream
istream_
iterator
ostream_
iterator
66
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)
IndexA
1
IndexC
IndexB
«references»
1
«references»
1
«references»
*
*
Data
*
67
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)
Empregados
-_nomeIndex
-_moradaIndex
-_BIIndex
+adicionaPessoa()
+procuraPorNome()
+procuraPorMorada()
+procuraPorBI()
Pessoa
*
1
+_nome
+_morada
+_bi
*
*
*
NomeIndex : map<string,Pessoa*>
1
MoradaIndex : map<nome,Pessoa*>
1

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?]
BIIndex : map<int,Pessoa*>
1
Estes três objectos
correspondem
às instâncias em
"Empregados"
68
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);
};
69
Estrutura Pessoa
struct Pessoa
{
string
string
int
nome;
morada;
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;
}
};
70
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;
}
}
71
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;
}
}
72
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;
}
(...)
73
Resultado da Execução...
74
Para aprender mais...

Effective STL: 50 Specific Ways to Improve Your
Use of the Standard Template Library, by Scott
Meyers
Addison-Wesley, June 2001

The C++ Standard Library : A Tutorial and
Reference, by Nicolai M. Josuttis
Addison-Wesley Professional, August 1999

C++ Primer, 4th Edition
by 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/
75
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, [email protected]
76
Standard Template
Library
Out/2005
Sessão Prática
Paulo Marques
Departamento de Eng. Informática
Universidade de Coimbra
[email protected]
Problema 1 – Conta Palavras

Implemente um programa que dado um ficheiro de texto,
conte o número de ocorrências de cada palavra nesse
ficheiro.



Como resultado da execução deve ser enviado para o ecrã
o número de ocorrências de cada palavra (par palavra/nº
vezes).



Assuma que o ficheiro pode ser de gigantesco (1 ou 2GB)
Assuma que o número de palavras diferentes pode ser bastante
elevado
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
78
Problema 2 – Anagramas

Dado um dicionário de palavras de uma língua, encontrar
todos os anagramas existentes.


O ficheiro “english.txt” contém um dicionário de inglês
que poderá utilizar nos seus testes.



Por exemplo: “barragem”, “embargar” são anagramas pois
escrevem-se exactamente com as mesmas letras.
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.
79
Problema 3 – Árvore Mínima Abrangente
C
B
1
E
3
1
1
D
G
5
I
1
3
4
F
2
H
5
1
J
A
10
K
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!)
80
Árvore Mínima Abrangente
C
B
1
E
3
1
1
D
G
5
I
1
3
4
F
2
H
5
1
J
A
10
K
81
“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
82
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",
net.addConnection("B",
net.addConnection("D",
net.addConnection("C",
net.addConnection("D",
net.addConnection("E",
net.addConnection("F",
net.addConnection("G",
net.addConnection("F",
net.addConnection("F",
net.addConnection("H",
"D",
"D",
"E",
"E",
"F",
"F",
"G",
"I",
"J",
"H",
"K",
1);
1);
3);
1);
2);
4);
3);
1);
1);
5);
10);
net.calculateMinimumSpanningTree();
net.printMinimumSpanningTree();
net.sendPacket("C", "K");
return 0;
}
83