Tài liệu Kỹ thuật lập trình - Chương 4: Khái quát về cấu trúc dữ liệu doc

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chươn
g
1
Kỹ thuật lập trình
0101010101010101100001
0101010101010101100001
0101010101010101100001
0101010100101010100101
0101010100101010100101
0101010100101010100101
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
0101010101010101100001
0101010101010101100001
0101010101010101100001
0101010100101010100101
0101010100101010100101
0101010100101010100101
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
0101010101010101100001
0101010101010101100001

0101010101010101100001
0101010100101010100101
0101010100101010100101
0101010100101010100101
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1010011000110010010010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
1100101100100010000010
9/8/2006
y = A*x + B*u;
x = C*x + d*u;
StateController
start()
stop()
LQGController
start()
stop()
Chương 4: Khái quát về cấu
trúc dữ liệu
2
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Nộidung chương 4
4.1 Cấutrúcdữ liệulàgì?
4.2 Mảng và quảnlýbộ nhớ₫ộng
4.2 Xây dựng cấu trúc Vector
4.3 Xây dựng cấutrúcList
3

© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
4.1 Giớithiệuchung
 Phầnlớn các bài toán trong thựctế liên quan tớicác
dữ liệuphứchợp, những kiểudữ liệucơ bảntrong
ngôn ngữ lập trình không ₫ủ biểudiễn
 Ví dụ:
—Dữ liệu sinh viên: Họ tên, ngày sinh, quê quán, mã số SV,
—Môhìnhhàmtruyền: Đathứctử số, ₫athứcmẫusố
—Môhìnhtrạng thái: Các ma trận A, B, C, D
—Dữ liệuquátrình: Tên₫ạilượng, dải ₫o, giá trị, ₫ơnvị, thời
gian, cấpsaisố, ngưỡng giá trị,
— Đốitượng ₫ồ họa: Kích thước, màu sắc, ₫ường nét, phông
chữ,
 Phương pháp biểudiễndữ liệu: ₫ịnh nghĩakiểudữ
liệumớisử dụng cấu trúc (struct, class, union, )
4
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Vấn ₫ề: Biểudiễntậphợpdữ liệu
 Đasố những dữ liệuthuộcmột ứng dụng có liên quan
với nhau => cầnbiểudiễntrongmộttậphợpcócấu
trúc, ví dụ:
— Danhsáchsinhviên: Cácdữ liệu sinh viên ₫ượcsắpxếptheo
thứ tự Alphabet
—Mộ hình tổng thể cho hệ thống ₫iều khiển: Bao gồm nhiều
thành phầntương tác
—Dữ liệuquátrình: Mộttậpdữ liệucóthể mang giá trị của
một ₫ạilượng vào các thời ₫iểmgián₫oạn, các dữ liệu ₫ầu
vào liên quan tớidữ liệu ₫ầura

— Đốitượng ₫ồ họ
a: Mộtcửasổ bao gồm nhiều ₫ốitượng ₫ồ
họa, mộtbảnvẽ cũng bao gồm nhiều ₫ốitượng ₫ồ họa
 Thông thường, các dữ liệutrongmộttậphợpcócùng
kiểu, hoặcítralàtương thích kiểuvớinhau
 Kiểumảng không phải bao giờ cũng phù hợp!
5
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Vấn ₫ề: Quảnlý(tậphợp) dữ liệu
 Sử dụng kếthợpmộtcáchkhéoléokiểucấutrúcvà
kiểumảng ₫ủ ₫ể biểudiễncáctậphợpdữ liệubấtkỳ
 Các giảithuật (hàm) thao tác vớidữ liệu, nhằmquản
lý dữ liệumộtcáchhiệuquả:
—Bổ sung mộtmụcdữ liệumớivàomột danh sách, mộtbảng,
mộttậphợp,
—Xóamộtmụcdữ liệutrongmột danh sách, bảng, tậphợp,
—Tìmmộtmụcdữ liệutrongmột danh sách, bảng tậphợp,
theo mộttiêuchuẩncụ thể
—Sắpxếpmột danh sách theo mộttiêuchuẩnnào₫ó
—
6
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
QuảnlýDL thế nàolàhiệuquả?
 Tiếtkiệmbộ nhớ: Phần "overhead" không ₫áng kể so
vớiphầndữ liệuthực
 Truy nhập nhanh, thuậntiện: Thờigiancầnchobổ
sung, tìm kiếm và xóa bỏ các mụcdữ liệuphảingắn
 Linh hoạt: Số lượng các mụcdữ liệu không (hoặcít)

bị hạnchế cố₫ịnh, không cầnbiếttrướckhitạocấu
trúc, phù hợpvớicả bài toán nhỏ và lớn
 Hiệuquả quảnlýdữ liệuphụ thuộcvào
—Cấutrúcdữ liệu ₫ượcsử dụng
—Giảithuật ₫ượcápdụng cho bổ sung, tìm kiếm, sắpxếp, xóa
bỏ
7
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Các cấutrúcdữ liệu thông dụng
 Mảng (nghĩarộng): Tậphợpcácdữ liệucóthể truy
nhậptùyý theochỉ số
 Danh sách (list): Tậphợpcácdữ liệu ₫ược móc nối ₫ôi
mộtvớinhauvàcóthể truy nhậptuầntự
 Cây (tree): Tậphợpcácdữ liệu ₫ược móc nốivới nhau
theo cấutrúccây, cóthể truy nhậptuầntự từ gốc
—Nếumỗi nút có tối ₫a hai nhánh: cây nhị phân (binary tree)
 Bìa, bảng (map): Tậphợpcácdữ liệucósắpxếp, có
thể truy nhậprất nhanh theo mã khóa (key)
 Hàng ₫ợi (queue): Tậphợpcácdữ liệucósắpxếp
tuầntự, chỉ bổ sung vào từ một ₫ầuvàlấyratừ₫ầu
còn lại
8
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Các cấutrúcdữ liệu thông dụng (tiếp)
 Tậphợp(set): Tậphợpcácdữ liệu ₫ượcsắpxếptùyý
nhưng có thể truy nhậpmộtcáchhiệuquả
 Ngănxếp (stack): Tậphợpcácdữ liệu ₫ượcsắpxếp
tuầntự, chỉ truy nhập ₫ượctừ một ₫ầu

 Bảng hash (hash table): Tậphợpcácdữ liệu ₫ượcsắp
xếpdựatheomộtmãsố nguyên tạoratừ mộthàm
₫ặ
cbiệt
 Bộ nhớ vòng (ring buffer): Tương tự như hàng ₫ợi,
nhưng dung lượng có hạn, nếuhếtchỗ sẽ₫ượcghi
quay vòng
 Trong toán họcvàtrong₫iềukhiển: vector, ma trận,
₫athức, phân thức, hàm truyền,
9
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
4.2 Mảng và quảnlýbộ nhớ₫ộng
 Mảng cho phép biểudiễnvàquảnlýdữ liệumộtcách
khá hiệuquả:
— Đọcvàghidữ liệurất nhanh qua chỉ số hoặcqua ₫ịachỉ
—Tiếtkiệmbộ nhớ
 Các vấn ₫ề củamảng tĩnh:
VD: Student student_list[100];
—Số phầntử phảilàhằng số (biếttrước khi biên dịch, ngườisử
dụng không thể nhậpsố phầntử, không thể cho số phầntừ
là mộtbiến) => kém linh hoạt
—Chiếmchỗ cứng trong ngănxếp(₫ốivớibiếncụcbộ) hoặc
trong bộ nhớ dữ liệuchương trình (₫ốivớibiếntoàncục) =>
sử dụng bộ nhớ kém hi
ệuquả, kém linh hoạt
10
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Mảng ₫ộng

 Mảng ₫ộng là mộtmảng ₫ượccấpphátbộ nhớ theo
yêu cầu, trong khi chương trình chạy
#include <stdlib.h> /* C */
int n = 50;

float* p1= (float*) malloc(n*sizeof(float)); /* C */
double* p2= new double[n]; // C++
 Sử dụng con trỏ₫ểquảnlýmảng ₫ộng: Cách sử dụng
không khác so vớimảng tĩnh
p1[0] = 1.0f;
p2[0] = 2.0;
 Sau khi sử dụng xong => giải phóng bộ nhớ:
free(p1); /* C */
delete [] p2; // C++
11
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Cấpphátvàgiải phóng bộ nhớ₫ộng
 C:
—Hàmmalloc() yêu cầuthamsố là số byte, trả về con trỏ
không kiểu(void*) mang ₫ịachỉ vùng nhớ mới ₫ượccấp
phát (nằm trong heap), trả về 0 nếu không thành công.
—Hàmfree() yêu cầuthamsố là con trỏ không kiểu(void*),
giải phóng vùng nhớ có ₫ịachỉ₫ưavào
 C++:
—Toántử new chấpnhậnkiểudữ liệuphầntử kèm theo số
lượng phầntử củamảng cầncấpphátbộ nhớ (trong vùng
heap), trả về con trỏ có kiểu, trả về 0 nếu không thành công.
—Toántử delete[] yêu cầuthamsố là con trỏ có kiểu.
—Toántử new và delete còn có thể áp dụng cho cấpphátvà

giải phóng bộ nhớ cho mộtbiến ₫ơn, một ₫ốitượng chứ
không nhấtthiế
tphảimộtmảng.
12
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Mộtsố₫iềucầnlưuý
 Con trỏ có vai trò quảnlýmảng (₫ộng), chứ con trỏ không phải
là mảng (₫ộng)
 Cấpphátbộ nhớ và giải phóng bộ nhớ chứ không phảicấpphát
con trỏ và giải phóng con trỏ
 Chỉ giải phóng bộ nhớ mộtlần
int* p;
p[0] = 1; // never do it
new(p); // access violation!
p = new int[100]; // OK
p[0] = 1; // OK
int* p2=p; // OK
delete[] p2; // OK
p[0] = 1; // access violation!
delete[] p; // very bad!
p = new int[50]; // OK, new array

13
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Cấpphátbộ nhớ₫ộng cho biến ₫ơn
 Ý nghĩa: Các ₫ốitượng có thể₫ượctạora₫ộng, trong khi
chương trình chạy(bổ sung sinh viên vào danh sách, vẽ thêm
mộthìnhtrongbảnvẽ, bổ sung mộtkhâutronghệ thống, )

 Cú pháp
int* p = new int;
*p = 1;
p[0]= 2; // the same as above
p[1]= 1; // access violation!
int* p2 = new int(1); // with initialization
delete p;
delete p2;
Student* ps = new Student;
ps->code = 1000;

delete ps;
 Mộtbiến ₫ơn khác vớimảng mộtphầntử!
14
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Ý nghĩacủasử dụng bộ nhớ₫ộng
 Hiệusuất:
—Bộ nhớ₫ượccấpphát₫ủ dung lượng theo yêu cầuvàkhi
₫ượcyêucầutrongkhichương trình ₫ãchạy
—Bộ nhớ₫ượccấpphátnằm trong vùng nhớ tự do còn lạicủa
máy tính (heap), chỉ phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ của
máy tính
—Bộ nhớ có thể₫ượcgiải phóng khi không sử dụng tiếp.
 Linh hoạt:
—Thờigian"sống" củabộ nhớ₫ượccấpphát₫ộng có thể kéo
dài hơnthời gian "sống" củathựcthể cấpphátnó.
—Cóthể mộthàmgọilệnh cấpphátbộ nhớ, nhưng mộthàm
khác giải phóng bộ nhớ.
—Sự linh hoạtcũng dễ dẫn ₫ếnnhững lỗi"ròrỉ bộ nhớ".

15
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Ví dụ sử dụng bộ nhớ₫ộng trong hàm
Date* createDateList(int n) {
Date* p = new Date[n];
return p;
}
void main() {
int n;
cout << "Enter the number of your national holidays:";
cin >> n;
Date* date_list = createDateList(n);
for (int i=0; i < n; ++i) {

}
for ( ) { cout << }
delete [] date_list;
}
16
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Tham số₫ầuralàcon trỏ?
void createDateList(int n, Date* p) {
p = new Date[n];
}
void main() {
int n;
cout << "Enter the number of your national holidays:";
cin >> n;

Date* date_list;
createDateList(n, date_list);
for (int i=0; i < n; ++i) {

}
for ( ) { cout << }
delete [] date_list;
}
17
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
4.3 Xây dựng cấutrúcVector
 Vấn ₫ề: Biểudiễnmột vector toán họctrongC/C++?
 Giải pháp chân phương: mảng ₫ộng thông thường, nhưng
—Sử dụng không thuậntiện: Ngườisử dụng tự gọicáclệnh cấpphát
và giải phóng bộ nhớ, trong các hàm luôn phải ₫ưathamsố là số
chiều.
—Sử dụng không an toàn: Nhầmlẫnnhỏ dẫn ₫ếnhậuquả nghiêm
trọng
int n = 10;
double *v1,*v2, d;
v1 = (double*) malloc(n*sizeof(double));
v2 = (double*) malloc(n*sizeof(double));
d = scalarProd(v1,v2,n); // scalar_prod đãcó
d = v1 * v2; // OOPS!
v1.data[10] = 0; // OOPS!
free(v1);
free(v2);
18
© 2004, HOÀNG MINH SƠN

Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Định nghĩacấutrúcVector
 Tên file: vector.h
 Cấutrúcdữ liệu:
struct Vector {
double *data;
int nelem;
};
 Khai báo các hàm cơ bản:
Vector createVector(int n, double init);
void destroyVector(Vector);
double getElem(Vector, int i);
void putElem(Vector, int i, double d);
Vector addVector(Vector, Vector);
Vector subVector(Vector, Vector);
double scalarProd(Vector, Vector);

19
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Định nghĩacáchàmcơ bản
 Tên file: vector.cpp
#include <stdlib.h>
#include "vector.h"
Vector createVector(int n, double init) {
Vector v;
v.nelem = n;
v.data = (double*) malloc(n*sizeof(double));
while (n ) v.data[n] = init;
return v;

}
void destroyVector(Vector v) {
free(v.data);
}
double getElem(Vector v, int i) {
if (i < v.nelem && i >= 0) return v.data[i];
return 0;
}
20
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
void putElem(Vector v, int i, double d) {
if (i >=0 && i < v.nelem) v.data[i] = d;
}
Vector addVector(Vector a, Vector b) {
Vector c = {0,0};
if (a.nelem == b.nelem) {
c = createVector(a.nelem,0.0);
for (int i=0; i < a.nelem; ++i)
c.data[i] = a.data[i] + b.data[i];
}
return c;
}
Vector subVector(Vector a, Vector b) {
Vector c = {0,0};

return c;
}
21
© 2004, HOÀNG MINH SƠN

Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Ví dụ sử dụng
#include "vector.h"
void main() {
int n = 10;
Vector a,b,c;
a = createVector(10,1.0);
b = createVector(10,2.0);
c = addVector(a,b);
//
destroyVector(a);
destroyVector(b);
destroyVector(c);
}
22
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
4.4 Xây dựng cấutrúcList
 Vấn ₫ề: Xây dựng mộtcấutrúc₫ể quảnlýmộtcách
hiệuquả và linh hoạtcácdữ liệu ₫ộng, ví dụ:
—Hộpthư₫iệntử
— Danh sách những việccầnlàm
—Các₫ốitượng ₫ồ họatrênhìnhvẽ
— Các khâu ₫ộng họctrongsơ₫ồmô phỏng hệ thống (tương tự
trong SIMULINK)
 Các yêu cầu ₫ặc thù:
—Số lượng mụcdữ liệutrongdanhsáchcóthể thay ₫ổithường
xuyên
— Các thao tác bổ sung hoặcxóadữ liệucần ₫ượcthựchiện
nhanh, ₫ơngiản

—Sử dụng tiếtkiệmbộ nhớ
23
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Sử dụng kiểumảng?
 Số phầntử trong mộtmảng thựcchất không bao giờ
thay ₫ổi ₫ược. Dung lượng bộ nhớ vào thời ₫iểmcấp
phát phảibiếttrước, không thựcsự co giãn ₫ược.
 Nếu không thựcsự sử dụng hết dung lượng ₫ãcấp
phát => lãng phí bộ nhớ
 Nếu ₫ãsử dụng hếtdung lượng và muốnbổ sung
phầntử thì phảicấpphátlạ
i và sao chép toàn bộ dữ
liệusang mảng mới=> cần nhiềuthờigiannếusố
phầntử lớn
 Nếumuốnchènmộtphầntử/xóa mộtphầntửở₫ầu
hoặcgiữamảng thì phải sao chép và dịch toàn bộ
phầndữ liệucònlại => rấtmấtthờigian
24
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Danh sách móc nối (linked list)
Dữ liệuA
Dữ liệuB
Dữ liệuX
Dữ liệuY0x00
Dữ liệuC
pHead
Item A
Item B

Item C
Item X
Item Y
25
© 2004, HOÀNG MINH SƠN
Chương 4: Khái quát về cấutrúcdữ liệu
Bổ sung dữ liệu
Dữ liệuA
Dữ liệuB
Dữ liệuX
Dữ liệuY0x00
Dữ liệuC
pHead
Dữ liệuT
pHead
Dữ liệuA
Dữ liệuB
Dữ liệuX
Dữ liệuY0x00
Dữ liệuC
pHead
Dữ liệuT
Bổ sung vào giữa danh sách
Bổ sung vào ₫ầudanhsách