Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Резюме

Эта глава была достаточно насыщена информацией и, честно говоря, была посвящена не столько алгоритмам и структурам данных, сколько технологиям увеличения быстродействия кода и процедурным методам.

Иногда быстродействие является результатом правильного выбора алгоритма или структуры данных (или того и другого). В других случаях увеличение скорости может быть достигнуто благодаря глубоким знаниям оборудования компьютера и операционной системы. Прежде всего, важно понимать, что единственным методом увеличения быстродействия приложения является использование профилировщика. Только предоставляемая профилировщиком статистика поможет определить, на что приложение тратит время, и лишь глубокое изучение отдельных блоков кода позволит оптимизировать приложение и увеличить его быстродействие. Хотелось бы подчеркнуть, что просто выбор "правильного" алгоритма или структуры данных отнюдь не означает, что приложение будет работать быстрее. Приведенная в книге информация поможет вам понять возможные способы ускорения выполнения отдельных частей кода, но только не нужно вносить в код сложные реализации алгоритмов там, где этого не требуется - вы только зря потеряете время.

Кроме того, в этой главе мы кратко рассмотрели тестирование и отладку - это тоже не алгоритмы, а скорее методы, гарантирующие, что код не содержит ошибок. А если ошибки все-таки присутствуют, то в коде находится столько разного рода следов и указателей, что поиск и устранение ошибок не должны отнимать много времени.

Глава 2. Массивы.

Несмотря на то что при стандартном (и не совсем стандартном) программировании используется огромное количество разного рода структур данных, большинство из них основаны на одном из двух фундаментальных контейнеров: массив и связный список. Если после прочтения этой книги вы научитесь правильно применять эти два типа структур, цель книги можно будет считать достигнутой. Они важны не только благодаря своей простоте, но и вследствие своей высокой эффективности. Массивы будут подробно рассмотрены в этой главе, а связные списки - в следующей. Кроме того, в главе 3 после связных списков будут описаны некоторые простые типы структур данных, основанные на этих двух фундаментальных типах. В главах 4 и 5, посвященных поиску и сортировке соответственно, мы также коснемся фундаментальных типов структур данных, но под несколько другим углом.

Невзирая на то что в книге будут приводиться полные реализации этих двух типов структур данных, иногда будет удобнее написать свою собственную реализацию. Поэтому важно четко понимать все аспекты, которые будут рассматриваться в этой и последующих главах.

Массивы

Во многих отношениях массивы являются простейшей структурой данных. Проще могут быть только такие базовые типы данных, как integer или Boolean. Массив (array) представляет собой последовательный список определенного количества элементов. Все элементы в массиве принадлежат к одному типу данных, и, как правило, хранятся в одном блоке памяти, т.е. каждый последующий элемент в памяти находится непосредственно после предыдущего. В таком случае говорят, что элементы массива являются смежными в памяти. Если ссылаться на элементы массива по их числовым индексам, то первый элемент будет иметь индекс 0 (или 1, или любое другое число, по крайней мере, в Delphi), значение индекса второго элемента будет больше на единицу и т.д. В коде элемент с индексом i обозначается как А[i], где А - идентификатор массива.

В Delphi имеется большой набор встроенных типов массивов. Кроме того, отдельные удобные типы массивов определены в библиотеке визуальных компонент VCL (Visual Component Library) в виде классов (и не только классов). Для поддержки таких классов, как массивы, разработчики Delphi предусмотрели возможность перегрузки операции массива, [], добавляя к нему новые свойства. Это единственная операция в Delphi, помимо + (сложение и конкатенация строк), которую можно перегружать.

Типы массивов в Delphi

В Delphi имеется три типа поддерживаемых языком массивов. Первый - стандартный массив, который объявляется с помощью ключевого слова array. Второй тип был впервые введен в Delphi 4 в качестве имитации того, что было давным-давно доступно в Visual Basic, - динамический массив, т.е. массив, длина которого может изменяться в процессе выполнения кода.

И последний тип массивов, как правило, не считается массивом, хотя в языке Object Pascal имеется несколько его вариаций. Конечно, мы говорим о строках: однобайтных строках (тип shortstring в 32-разрядной версии Delphi), строках с завершающим нулем (тип Pchar) и длинных строках в 32-разрядных версиях Delphi (которые имеют отдельную вариацию для "широких" символов).

Все массивы имеют одну и ту же структуру. Они состоят из одного или большего количества повторений другого типа данных, например, char, integer или record, которые в памяти находятся рядом друг с другом. Именно это последнее свойство стандартных массивов позволяет очень быстро получить доступ к отдельным элементам массивов. Весь процесс доступа к элементу сводится к простому вычислению адреса, для чего требуются, как мы вскоре увидим, всего несколько машинных инструкций.

Стандартные массивы

Можно даже не сомневаться, что все вы знаете стандартный способ объявления массивов в Delphi. Так, объявление

var

MyIntArray : array [0..9] of integer;

создает массив из 10 элементов типа integer. В языке Object Pascal диапазон изменения индексов элементов можно выбирать любым (в приведенном случае - от 0 до 9). В следующем примере объявляется еще один массив из 10 элементов типа integer, но здесь индексация элементов следует от 1 до 10:

var

MyIntArray : array [1..10] of integer;

Некоторые считают, что работать с массивом, объявленном во втором примере, удобнее (в конце концов, первый элемент имеет индекс 1).

Тем не менее, нужно сказать несколько слов о работе с массивами, индексация которых начинается с нуля. Во-первых, очень часто в API-интерфейсах операционных систем Windows и Linux, а также Delphi-библиотеках VCL и CLX предполагается, что первый элемент в массиве имеет индекс 0. Кроме того, в языках программирования С, С++ и Java индексация всех массивов обязательно начинается с 0. Поскольку и Windows, и Linux реализованы на С (или С++), при вызове API-функций считается, что индекс первого элемента массива равен 0.

Во-вторых, индексация динамических массивов начинается с 0. Поэтому, если вы хотите использовать этот очень гибкий тип, начинайте нумерацию элементов массивов с 0.

В-третьих, если вы передаете массивы в качестве параметров функциям (скоро мы перейдем к рассмотрению открытых массивов), то функция Low (которая возвращает индекс первого элемента массива) внутри некоторой функции будет возвращать 0 независимо от того, как массив объявлен вне этой функции. (Обратите внимание, что сказанное было справедливо для всех версий Delphi на момент написания книги; в будущих версиях, возможно, будет введена возможность индексирования элементов массивов в функциях по реальным индексам.)

Еще один момент, о котором необходимо помнить, - для основных типов массивов, элементы которых располагаются в памяти непрерывно, вычисление адреса элемента N (т.е. элемента MyArray[N]) в случае индексации с 0 производится по следующему выражению:

AddressOfElementN :=

AddressOfArray + (N * sizeof(ElementType));

Если же индексация массива начинается с X, то адрес элемента N будет вычисляться в соответствии с выражением:

AddressOfElementN :=

AddressOfArray + ((N - X) * sizeof(ElementType));

Как видите, в последнем случае выражение несколько сложнее. Несмотря на то что вычисление адреса каждого отдельного элемента лишь немного медленнее (о снижении быстродействия можно даже не говорить), при использовании нескольких массивов снижение скорости работы приложения вследствие того, что индексация элементов всех массивов начинается не с 0, может оказаться весьма существенной.

И в качестве последнего аргумента в пользу применения массивов, индексация элементов которых начинается с нуля, может служить удобство вычислений и программирования. Например, если доступ ко всем элементам осуществляется в цикле For, компилятор получает возможность оптимизировать цикл таким образом, чтобы последним значением переменной цикла был 0, поскольку сравнение с 0 в конце цикла будет быстрее, нежели сравнение с произвольным числом. В книге можно будет встретить несколько таких примеров. Таким образом, учитывая все вышесказанное, имеет смысл использовать массивы, первый элемент которых имеет индекс 0.

Так что же такого замечательного в использовании массивов в качестве структуры данных? Во-первых, вычисление адресов элементов выполняется очень быстро. Как уже говорилось, для этого нужно всего лишь умножение и сложение. При получении доступа к элементу N (MyArray [N]) компилятор для вычисления адреса добавляет простой машинный код. Независимо от значения числа N, формула для вычисления адреса будет одной и той же. Другими словами, получение доступа к элементу с индексом N принадлежит к классу операций O(1) и не зависит от величины N.