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cours_11.md 16.03 KiB
title: "Applications des piles, listes chaînées et files d'attente"
date: "2024-12-09"

Rappel: les piles

Qu'est-ce donc?

. . .

  • tructure de données abstraite de type LIFO

Quelles fonctionnalités?

. . .

  1. Empiler (push): ajouter un élément sur la pile.
  2. Dépiler (pop): retirer l'élément du sommet de la pile et le retourner.
  3. Pile vide? (is_empty?).

Le tri à deux piles

\Huge Le tri à deux piles

Le tri à deux piles (1/3)

Cas pratique

Un exemple de tri à deux piles

Le tri à deux piles (2/3)

Exercice: formaliser l'algorithme

. . .

Algorithme de tri nécessitant 2 piles (G, D)

Soit tab le tableau à trier:

pour i de 0 à N-1
    tant que (tab[i] > que le sommet de G)
        dépiler G dans D
    tant que (tab[i] < que le sommet de D)
        dépiler de D dans G
    empiler tab[i] sur G
dépiler tout D dans G
tab est trié dans G

Le tri à deux piles (3/3)

Exercice: trier le tableau [2, 10, 5, 20, 15]
















La Calculatrice

\Huge La Calculatrice

La calculatrice (1/8)

Vocabulaire

2 + 3 = 2 3 +,

2 et 3 sont les opérandes, + l'opérateur.

. . .

La notation infixe

2 * (3 + 2) - 4 = 6.

La notation postfixe

2 3 2 + * 4 - = 6.

Exercice: écrire 2 * 3 * 4 + 2 en notation postfixe

. . .

2 3 4 * * 2 + = (2 * (3 * 4)) + 2.

La calculatrice (2/8)

De infixe à post-fixe

  • Une pile est utilisée pour stocker opérateurs et parenthèses.
  • Les opérateurs on des priorités différentes.
^   : priorité 3
* / : priorité 2
+ - : priorité 1
( ) : priorité 0 // pas un opérateur mais bon

La calculatrice (3/8)

De infixe à post-fixe: algorithme

  • On lit l'expression infixe de gauche à droite.

  • On examine le prochain caractère de l'expression infixe.

    • Si opérande, le placer dans l'expression du résultat.
    • Si parenthèse le mettre dans la pile (priorité 0).
    • Si opérateur, comparer sa priorité avec celui du sommet de la pile:
      • Si sa priorité est plus élevée, empiler.
      • Sinon dépiler l'opérateur de la pile dans l'expression du résultat et recommencer jusqu'à apparition d'un opérateur de priorité plus faible au sommet de la pile (ou pile vide).
    • Si parenthèse fermée, dépiler les opérateurs du sommet de la pile et les placer dans l'expression du résultat, jusqu'à ce qu'une parenthèse ouverte apparaisse au sommet, dépiler également la parenthèse.
    • Si il n'y a pas de caractère dans l'expression dépiler tous les opérateurs dans le résultat.

La calculatrice (4/8)

De infixe à post-fixe: exemple

Infixe              Postfixe            Pile    Priorité
((A*B)/D-F)/(G+H)   Vide                Vide    Néant
 (A*B)/D-F)/(G+H)   Vide                (       0
  A*B)/D-F)/(G+H)   Vide                ((      0
   *B)/D-F)/(G+H)   A                   ((      0
    B)/D-F)/(G+H)   A                   ((*     2
     )/D-F)/(G+H)   AB                  ((*     2
      /D-F)/(G+H)   AB*                 (       0
       D-F)/(G+H)   AB*                 (/      2
        -F)/(G+H)   AB*D                (/      2
         F)/(G+H)   AB*D/               (-      1
          )/(G+H)   AB*D/F              (-      1
           /(G+H)   AB*D/F-             Vide    Néant

La calculatrice (5/8)

De infixe à post-fixe: exemple

Infixe              Postfixe            Pile    Priorité
((A*B)/D-F)/(G+H)   Vide                Vide    Néant
--------------------------------------------------------
           /(G+H)   AB*D/F-             Vide    Néant
            (G+H)   AB*D/F-             /       2
             G+H)   AB*D/F-             /(      0
              +H)   AB*D/F-G            /(      0
               H)   AB*D/F-G            /(+     1
                )   AB*D/F-GH           /(+     1
             Vide   AB*D/F-GH+          /       2
             Vide   AB*D/F-GH+/         Vide    Néant

La calculatrice (6/8)

\footnotesize

Exercice: écrire le code et le poster sur matrix

  • Quelle est la signature de la fonction?

. . .

  • Une sorte de corrigé:
char *infix_to_postfix(char* infix) { // init and alloc stack and postfix
    for (size_t i = 0; i < strlen(infix); ++i) {
        if (is_operand(infix[i])) { 
            // we just add operands in the new postfix string
        } else if (infix[i] == '(') { 
            // we push opening parenthesis into the stack
        } else if (infix[i] == ')') { 
            // we pop everything into the postfix
        } else if (is_operator(infix[i])) {
            // this is an operator. We add it to the postfix based 
            // on the priority of what is already in the stack and push it
        }    
    } 
    // pop all the operators from the s at the end of postfix
    // and end the postfix with `\0`
    return postfix;
} 

La calculatrice (7/8)

Évaluation d'expression postfixe: algorithme

  • Chaque opérateur porte sur les deux opérandes qui le précèdent.
  • Le résultat d'une opération est un nouvel opérande qui est remis au sommet de la pile.

Exemple

2 3 4 + * 5 - = ?
  • On parcours de gauche à droite:
Caractère lu        Pile opérandes
    2               2
    3               2, 3
    4               2, 3, 4
    +               2, (3 + 4)
    *               2 * 7
    5               14, 5
    -               14 - 5 = 9

La calculatrice (8/8)

Évaluation d'expression postfixe: algorithme

  1. La valeur d'un opérande est toujours empilée.
  2. L'opérateur s'applique toujours au 2 opérandes au sommet.
  3. Le résultat est remis au sommet.

Exercice: écrire l'algorithme en C (et poster sur matrix)

. . .

double evaluate(char *postfix) { // init stack
    for (size_t i = 0; i < strlen(postfix); ++i) {
        if (is_operand(postfix[i])) {
            stack_push(&s, postfix[i]);
        } else if (is_operator(postfix[i])) {
            double rhs = stack_pop(&s);
            double lhs = stack_pop(&s);
            stack_push(&s, op(postfix[i], lhs, rhs));
        }    
    }
    return stack_pop(&s);
}

Liste chaînée et pile

\Huge Liste chaînée et pile

La liste chaînée et pile (1/6)

Structure de données

  • Chaque élément de la liste contient:
    1. une valeur,
    2. un pointeur vers le prochain élément.
  • La pile est un pointeur vers le premier élément.

Un exemple de liste chaînée.

La liste chaînée et pile (2/6)

Une pile-liste-chaînée

typedef struct _element {
    int data;
    struct _element *next;
} element;
typedef element* stack;

Fonctionnalités?

. . .

void stack_create(stack *s); // *s = NULL;
void stack_destroy(stack *s);
void stack_push(stack *s, int val);
void stack_pop(stack *s, int *val);
void stack_peek(stack s, int *val);
bool stack_is_empty(stack s); // reutrn NULL == stack;

La liste chaînée et pile (3/6)

Empiler? (faire un dessin)

. . .







Empiler? (le code ensemble)

. . .

void stack_push(stack *s, int val) {
    element *elem = malloc(sizeof(*elem));
    elem->data = val;
    elem->next = *s;
    *s = elem;
}

La liste chaînée et pile (4/6)

Jeter un oeil? (faire un dessin)

. . .







Jeter un oeil? (le code ensemble)

. . .

void stack_peek(stack s, int *val) {
    *val = s->data;
}

La liste chaînée et pile (5/6)

Dépiler? (faire un dessin)

. . .







Dépiler? (le code ensemble)

. . .

void stack_pop(stack *s, int *val) {
    stack_peek(*s, val);
    element *tmp = *s;
    *s = (*s)->next;
    free(tmp);
}

La liste chaînée et pile (6/6)

Détruire? (faire un dessin)

. . .







Détruire? (le code ensemble)

. . .

void stack_destroy(stack *s) {
    while (!stack_is_empty(*s)) {
        int val; 
        stack_pop(s, &val);
    }
}

La file d'attente

\Huge La file d'attente

La file d'attente (1/2)

  • Structure de données abstraite permettant le stockage d'éléments.
  • FIFO: First In First Out, ou première entrée première sortie.
  • Analogue de la vie "réelle"":
    • File à un guichet,
    • Serveur d'impressions,
    • Mémoire tampon, ...

Fonctionnalités

. . .

  • Enfiler: ajouter un élément à la fin de la file.
  • Défiler: extraire un élément au devant de la file.
  • Tester si la file est vide.

. . .

  • Lire l'élément de la fin de la file.
  • Lire l'élément du devant de la file.
  • Créer une liste vide.
  • Détruire une liste vide.

La file d'attente (2/2)

\footnotesize

Implémentation possible

  • La structure file, contient un pointeur vers la tête et un vers le début de la file.
  • Entre les deux, les éléments sont stockés dans une liste chaînée.

Illustration d'une file d'attente.

Structure de données en C?

. . .

typedef struct _element {  // Elément de liste
   int data;
   struct _element* next;
} element;
typedef struct _queue {    // File d'attente:
   element* head;  //    tête de file d'attente
   element* tail;  //    queue de file d'attente
} queue;

Fonctionnalités d'une file d'attente

Creation et consultations

. . .

void queue_init(queue *fa); // head = tail = NULL
bool queue_is_empty(queue fa); // fa.head == fa.tail == NULL
int queue_tail(queue fa); // return fa.tail->data
int queue_head(queue fa); // return fa.head->data

Manipulations et destruction

. . .

void queue_enqueue(queue *fa, int val);
// adds an element before the tail
int queue_dequeue(queue *fa);
// removes the head and returns stored value
void queue_destroy(queue *fa);
// dequeues everything into oblivion

Enfilage

Deux cas différents:

  1. La file est vide (faire un dessin):

. . .

Insertion dans une file d'attente vide.

  1. La file n'est pas vide (faire un dessin):

. . .

Insertion dans une file d'attente non-vide.

Enfilage

Live (implémentation)

. . .

void queue_enqueue(queue *fa, int val) {
    element* elmt = malloc(sizeof(*elmt));
    elmt->data = val;
    elmt->next = NULL;
    if (queue_is_empty(*fa)) {
        fa->head = elmt;
        fa->tail = elmt;
    } else {
        fa->tail->next = elmt;
        fa->tail = elmt;
    }
}

Défilage

Trois cas différents

  1. La file a plus d'un élément (faire un dessin):

. . .

Extraction d'une file d'attente

  1. La file un seul élément (faire un dessin):

. . .

Extraction d'une file d'attente de longueur 1.

  1. La file est vide (problème)

Défilage

Live (implémentation)

. . .

int queue_dequeue(queue *fa) {
    element* elmt = fa->head;
    int val = elmt->data;
    fa->head = fa->head->next;
    free(elmt);
    if (NULL == fa->head) {
        fa->tail = NULL;
    }
    return val;
}

. . .

Problème avec cette implémentation?

Destruction

Comment on faire la désallocation?

. . .

On défile jusqu'à ce que la file soit vide!

Complexité

Quelle sont les complexité de:

  • Enfiler?

. . .

  • Défiler?

. . .

  • Détruire?

. . .

  • Est vide?

Implémentation alternative

Comment implémenter la file autrement?

. . .

  • Données stockées dans un tableau;
  • Tableau de taille connue à la compilation ou pas (réallouable);
  • tail seraient les indices du tableau;
  • capacity seraient la capacité maximale;
  • On enfile "au bout" du tableau, au défile au début (indice 0).

. . .

Structure de données

typedef struct _queue {
    int *data;
    int tail, capacity;
} queue;

File basée sur un tableau

  • Initialisation?

. . .




  • Est vide?

. . .




  • Enfiler?

. . .




  • Défiler?

. . .




Complexité

Quelle sont les complexités de:

  • Initialisation?

. . .




  • Est vide?

. . .

  • Enfiler?

. . .




  • Défiler?

. . .




Une file plus efficace

Comment faire une file plus efficace?

  • Où est-ce que ça coince?

. . .

  • Défiler est particulièrement lent
    O(N)\mathcal{O}(N)
    .

Solution?

. . .

  • Utiliser un indice séparé pour head.
typedef struct _queue {
    int *data;
    int head, tail, capacity;
} queue;

Une file plus efficace (implémentation)

Enfilage

\footnotesize

void queue_enqueue(queue *fa, int val) {
    if ((fa->head == 0 && fa->tail == fa->capacity-1) ||
            (fa->tail == (fa->head-1) % (fa->capacity-1))) {
        return; // queue is full
    }
    if (fa->head == -1) { // queue was empty
        fa->head = fa->tail = 0;
        fa->data[fa->tail] = val;
    } else if (fa->tail == fa->capacity-1 && fa->head != 0) {
        // the tail reached the end of the array
        fa->tail = 0;
        fa->data[fa->tail] = val;
    } else {
        // nothing particular
        fa->tail += 1;
        fa->data[fa->tail] = val;
    }
}

Une file plus efficace (implémentation)

Défilage

void queue_dequeue(queue *fa, int *val) {
    if (queue_is_empty(*fa)) {
        return; // queue is empty
    }
    *val = fa->data[fa->head];
    if (fa->head == fa->tail) { // that was the last element
        fa->head = fa->tail = -1;
    } else if (fa->head == fa->capacity-1) {
        fa->head = 0;
    } else {
        fa->head += 1;
    }
}

Les listes triées

Une liste chaînée triée est:

  • une liste chaînée
  • dont les éléments sont insérés dans l'ordre.

Exemple de liste triée.

. . .

  • L'insertion est faite telle que l'ordre est maintenu.

Quelle structure de données?





Les listes triées

Quel but?

  • Permet de retrouver rapidement un élément.
  • Utile pour la recherche de plus court chemin dans des graphes.
  • Ordonnancement de processus par degré de priorité.

Comment?

  • Les implémentations les plus efficaces se basent sur les tableaux.
  • Possibles aussi avec des listes chaînées.

Les listes triées

\footnotesize

Quelle structure de données dans notre cas?

Une liste chaînée bien sûr (oui c'est pour vous entraîner)!

typedef struct _element { // chaque élément
    int data;
    struct _element *next;
} element;
typedef element* sorted_list; // la liste

Fonctionnalités

// insertion de val
sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val);
// la liste est-elle vide?
bool is_empty(sorted_list list); // list == NULL
// extraction de val (il disparaît)
sorted_list sorted_list_extract(sorted_list list, int val); 
 // rechercher un élément et le retourner
element* sorted_list_search(sorted_list list, int val);

L'insertion

Trois cas

  1. La liste est vide.

. . .

Insertion dans une liste vide, list == NULL.

. . .

sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    if (sorted_list_is_empty(list)) {
        list = malloc(sizeof(*list));
        list->data = val;
        list->next = NULL;
        return list;
    }
}

L'insertion

  1. L'insertion se fait en première position.

. . .

Insertion en tête de liste, list->data >= val.

. . .

sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    if (list->data >= val) {
        element *tmp = malloc(sizeof(*tmp));
        tmp->data = val;
        tmp->next = list;
        list = tmp;
        return list;
    }
}

L'insertion

  1. L'insertion se fait sur une autre position que la première.

. . .

Insertion sur une autre position, list->data < val.

. . .

\footnotesize

sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    element *tmp = malloc(sizeof(*tmp));
    tmp->data = val;
    element *crt = list;
    while (NULL != crt->next && val > crt->next->data) {
        crt = crt->next;
    }
    tmp->next = crt->next;
    crt->next = tmp;
    return list;
}