Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Что я должен предварительно знать?

В этой книге отнюдь не предпринимается попытка обучить кого-либо программированию на Delphi. Необходимо знать основы разработки приложений на Delphi: создание новых проектов, написание кода, компиляцию, отладку и так далее. Я вынужден предупредить, что в книге не используются компоненты. Вы должны четко представлять, что такое классы, процедуры и методы, а также ссылки на них, владеть механизмом нетипизированных указателей, уметь использовать тип TList и потоки, инкапсулированные в семейство TStream. Очень важно владеть основами объектно-ориентированной методологии, в частности, представлять, что такое инкапсуляция, наследование, полиморфизм и делегирование. Вас не должна пугать объектная модель, реализованная в рамках Delphi!

Обладая упомянутым выше багажом знаний, большинство концепций, описанных в книге, покажутся просто детскими игрушками. Начинающие программисты почерпнут из книги неоценимые основы стандартной алгоритмической теории и структур данных, что позволит использовать им эту книгу как хороший учебник. В самом деле, даже простой просмотр кода, которым изобилует книга, даст возможность ознакомиться с множеством приемов и трюков, столь характерных для истинных профессионалов. Разбор более сложных моментов можно оставить на какой-нибудь скучный дождливый вечерок, если только они действительно не понадобятся в реальной работе.

Итак, на данный момент можно с уверенностью заявить, что вы должны обладать определенным опытом программирования на Delphi. То и дело придется сталкиваться со структурами данных, лежащими в основе TList и иже с ними, посему следует четко представлять себе, какие структуры данных доступны, и как их использовать. Может статься, что вам необходимо разработать простую подпрограмму сортировки, однако все, что содержит доступный вам источник - так это написанный кем-то код на языке С++, а ни времени, ни желания переводить этот код на Delphi нету. А, может, вас интересует книга по алгоритмам, в которой вопросы увеличения производительности и эффективности описываются столь же хорошо, как и сами алгоритмы? Такая книга перед вами.

Какая версия Delphi мне нужна?

Готовы ли вы к тому, что я сейчас скажу? Любая версия. За исключением раздела, посвященного использованию динамических массивов в Delphi 4 и тех же массивов в Kylix в главе 2, части материала в главе 12 и небольших фрагментов кода тут и там, приведенный в книге код будет компилироваться и выполняться под управлением любой версии Delphi. Не считая небольших порций кода, специфических для конкретной версии, о который только что было упомянуто, я протестировал весь код, приведенный в книге, во всех версиях Delphi и Kylix.

Таким образом, вы смело можете полагать, что все примеры кода в книге функционируют во всех версиях Delphi. Если тот или иной фрагмент кода все-таки зависит от версии, это специальным образом оговаривается в комментариях.

Что и где я могу найти в книге, или, другими словами, из чего состоит эта книга?

Книга состоит из двенадцати глав и списка использованной литературы.

В главе 1 вводятся несколько основных правил. Глава начинается с обсуждения проблемы производительности. Мы ознакомимся с вопросами измерения эффективности алгоритмов, начав с изучения О-нотации. Затем мы рассмотрим методику измерения времени выполнения алгоритмов и завершим исследованиями способов применения профилировщика. Мы обсудим эффективность представления данных в контексте современных процессоров и операционных систем, акцентируя особое внимание на кэш-памяти, механизмах подкачки и подсистемах виртуальной памяти. В конце главы приводятся рассуждения по поводу тестирования и отладки, которые можно встретить во множестве других книг, однако, по причине их чрезвычайной важности, непростительно было бы упустить эту тему из виду.

Глава 2 покрывает практически все основные вопросы, связанные с массивами. Мы посмотрим на стандартную языковую поддержку массивов, в том числе и динамических массивов, обсудим достоинства, недостатки и методику применения класса TList, а затем разработаем класс, инкапсулирующий в себе массив записей. Ввиду того, что строка, как структура данных, также представляет собой массив, мы кратко коснемся и ее.

В главе 3 вводятся понятие связного списка в двух его ипостасях: односвязный и двухсвязный списки. Мы ознакомимся с тем, как создавать стеки и очереди с использованием для их внутреннего представления как связных списков, так и массивов.

Глава 4 представляет собой введение в алгоритмы поиска, в особенности, в алгоритмы последовательного и бинарного поиска. Будет показано, как при помощи бинарного поиска осуществлять вставку элементов в сортированные массивы и связные списки.

Глава 5 посвящена алгоритмам сортировки. Мы посмотрим на различные методы сортировки: пузырьковую и шейкер-сортировку, сортировку выбором и простыми вставками, сортировку методом Шелла, быструю сортировку и сортировку слиянием. Алгоритмы сортировки будут применяться в отношении к массивам и связным спискам.

В главе 6 обсуждаются алгоритмы, которые генерируют или требуют для своего функционирования случайные числа. Будут рассмотрены различные реализации генераторов псевдослучайных чисел, а также сортированной структуры данных с возможностью пометки, именуемой списком с пропусками, в которой для поддержания сбалансированного состояния используется генератор псевдослучайных чисел.

Глава 7 вводит понятия хеширования и хеш-таблиц, включая их базовые определения, области и причины применения, а также связанные с ними достоинства и недостатки. Рассматривается множество стандартных алгоритмов хеширования. Одной из проблем, которые возникают при использовании хеш-таблиц, является так называемый конфликт, или коллизия. Мы посмотрим, как разрешать коллизии при помощи разнообразных видов зондирования и связывания.

В главе 8 представлены бинарные деревья, исключительно важная структура данных с широчайшим спектром случаев применения. Подробно рассматриваются вопросы построения и поддержки бинарных деревьев, а также методы прохода по узлам дерева. Затрагиваются вопросы несбалансированных деревьев, образующихся в результате вставки данных в сортированном порядке. В главе приводится набор алгоритмов балансировки, среди которых скошенное дерево и красно-черное дерево.

Глава 9, в основном, имеет дело с очередями по приоритету. Во время обсуждения таких очередей рассматривается структура сортирующего дерева. Подробно изучаются базовые операции на сортирующем дереве, такие как пузырьковый подъем и просачивание вниз. Кроме того, анализируется новый алгоритм сортировки на сортирующем дереве - пирамидальная сортировка.

В главе 10 можно найти исчерпывающую информацию о конечных автоматах и об их применения для решения определенного класса задач. После рассмотрения некоторых стандартных примеров использования детерминированных конечных автоматов приводятся глубокие исследования регулярных выражений, а также алгоритмы их синтаксического анализа и компиляции в недетерминированные конечные автоматы. В конце главы приводятся примеры применения конечных автоматов для ввода или отклонения строк.

Глава 11 сконцентрирована вокруг нескольких технологий сжатия. Подробно рассматриваются такие алгоритмы сжатия, как Шеннона-Фано, Хаффмана, с применением скошенного дерева и LZ77.

В главу 12 включено несколько дополнительных сложных тем, которые смогут удовлетворить аппетит даже самых искушенных программистов, склонных к исследованию алгоритмов и структур данных. Глава принесет несомненную пользу также и рядовым программистам.

В самом конце книги приводится список использованной литературы, который поможет быстро найти источники, содержащие дополнительную или более подробную информацию, касающуюся рассмотренных в книге алгоритмов. Список включает, помимо прочих, и чисто академические источники.

Что это за странные конструкции $ifdef в коде?

Все коды примеров, представленных в книге, за несколькими специальным образом помеченными исключениями, будут компилироваться в средах Delphi1, 2, 3, 4, 5 и 6, а также Kylix 1. (Впрочем, должны поддерживаться и будущие версии компиляторов. Дополнительную информацию по этому поводу можно найти по адресу http://www.boyet.com/dads.) Несмотря на приложенные мною усилия, некоторые отличия в коде для различных версий Delphi и Kylix все же имеют место.

Дабы решить все вопросы, связанные с этими отличиями, я решил поместить в код множество конструкций $IFDEF, которые обеспечивают условную компиляцию отдельных фрагментов кода. Компания Borland (Inprise) предлагает набор определений для официальных платформ WINDOWS, WIN32 и LINUX, а также набор определений для версий компиляторов VERnnn.

Для решения упомянутых проблем каждый файл с исходным кодом, сопровождающий данную книгу, содержит в самом начале следующее включение: