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title: "Applications des piles, listes chaînées et files d'attente"
date: "2024-12-09"
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# 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
{width=70%}
# 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:
```C
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]`
```C
```
# La Calculatrice
\Huge La Calculatrice
# La calculatrice (1/8)
## Vocabulaire
```C
2 + 3 = 2 3 +,
```
`2` et `3` sont les *opérandes*, `+` l'*opérateur*.
. . .
## La notation infixe
```C
2 * (3 + 2) - 4 = 6.
```
## La notation postfixe
```C
2 3 2 + * 4 - = 6.
```
## Exercice: écrire `2 * 3 * 4 + 2` en notation `postfixe`
. . .
```C
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.
```C
^ : 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
```C
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
```C
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:
```C
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
```C
2 3 4 + * 5 - = ?
```
* On parcours de gauche à droite:
```C
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)
. . .
```C
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.
{width=80%}
# La liste chaînée et pile (2/6)
## Une pile-liste-chaînée
```C
typedef struct _element {
int data;
struct _element *next;
} element;
typedef element* stack;
```
## Fonctionnalités?
. . .
```C
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)
. . .
```C
```
## Empiler? (le code ensemble)
. . .
```C
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)
. . .
```C
```
## Jeter un oeil? (le code ensemble)
. . .
```C
void stack_peek(stack s, int *val) {
*val = s->data;
}
```
# La liste chaînée et pile (5/6)
## Dépiler? (faire un dessin)
. . .
```C
```
## Dépiler? (le code ensemble)
. . .
```C
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)
. . .
```C
```
## Détruire? (le code ensemble)
. . .
```C
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.
{width=80%}
## Structure de données en C?
. . .
```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
. . .
```C
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
. . .
```C
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):
. . .
{width=40%}
2. La file n'est pas vide (faire un dessin):
. . .
{width=70%}
# Enfilage
## Live (implémentation)
. . .
```C
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):
. . .
{width=80%}
2. La file un seul élément (faire un dessin):
. . .
{width=25%}
3. La file est vide (problème)
# Défilage
## Live (implémentation)
. . .
```C
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
```C
typedef struct _queue {
int *data;
int tail, capacity;
} queue;
```
# File basée sur un tableau
* Initialisation?
. . .
```C
```
* Est vide?
. . .
```C
```
* Enfiler?
. . .
```C
```
* Défiler?
. . .
```C
```
# Complexité
## Quelle sont les complexités de:
* Initialisation?
. . .
```C
```
* Est vide?
. . .
```C
```
* Enfiler?
. . .
```C
```
* Défiler?
. . .
```C
```
# Une file plus efficace
## Comment faire une file plus efficace?
* Où est-ce que ça coince?
. . .
* Défiler est particulièrement lent $\mathcal{O}(N)$.
## Solution?
. . .
* Utiliser un indice séparé pour `head`.
```C
typedef struct _queue {
int *data;
int head, tail, capacity;
} queue;
```
# Une file plus efficace (implémentation)
## Enfilage
\footnotesize
```C
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
```C
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.
. . .
* L'insertion est faite telle que l'ordre est maintenu.
## Quelle structure de données?
```C
```
# 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)!
```C
typedef struct _element { // chaque élément
int data;
struct _element *next;
} element;
typedef element* sorted_list; // la liste
```
## Fonctionnalités
```C
// 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.
. . .
{width=30%}
. . .
```C
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
2. L'insertion se fait en première position.
. . .
{width=80%}
. . .
```C
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
3. L'insertion se fait sur une autre position que la première.
. . .
{width=70%}
. . .
\footnotesize
```C
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;
}
```