Динамические структуры данных

Цель лекции: изучить понятия, классификацию, объявления и особенности доступа к данным в динамических структурах, работу с памятью при использовании структур в программе, научиться решать задачи с использованием динамических структур в языке C++.

В языке C++ имеются средства создания динамических структур данных, которые позволяют во время выполнения программы образовывать объекты, выделять для них память, освобождать память, когда в них исчезает необходимость.

Если до начала работы с данными невозможно определить, сколько памяти потребуется для их хранения, память следует распределять во время выполнения программы по мере необходимости отдельными блоками. Блоки связываются друг с другом с помощью указателей. Такой способ организации данных называется динамической структурой данных, поскольку она размещается в динамической памяти и ее размер изменяется во время выполнения программы.

Динамические структуры данных – это структуры данных, память под которые выделяется и освобождается по мере необходимости.

Динамические структуры данных в процессе существования в памяти могут изменять не только число составляющих их элементов, но и характер связей между элементами. При этом не учитывается изменение содержимого самих элементов данных. Такая особенность динамических структур, как непостоянство их размера и характера отношений между элементами, приводит к тому, что на этапе создания машинного кода программа-компилятор не может выделить для всей структуры в целом участок памяти фиксированного размера, а также не может сопоставить с отдельными компонентами структуры конкретные адреса. Для решения проблемы адресации динамических структур данных используется метод, называемый динамическим распределением памяти, то есть память под отдельные элементы выделяется в момент, когда они "начинают существовать" в процессе выполнения программы, а не во время компиляции. Компилятор в этом случае выделяет фиксированный объем памяти для хранения адреса динамически размещаемого элемента, а не самого элемента.

Динамическая структура данных характеризуется тем что:

Каждой динамической структуре данных сопоставляется статическая переменная типа указатель (ее значение – адрес этого объекта), посредством которой осуществляется доступ к динамической структуре.

Сами динамические величины не требуют описания в программе, поскольку во время компиляции память под них не выделяется. Во время компиляции память выделяется только под статические величины. Указатели – это статические величины, поэтому они требуют описания.

Необходимость в динамических структурах данных обычно возникает в следующих случаях.

Динамические структуры, по определению, характеризуются отсутствием физической смежности элементов структуры в памяти, непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе ее обработки.

Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным.

Достоинства связного представления данных – в возможности обеспечения значительной изменчивости структур:

Вместе с тем, связное представление не лишено и недостатков, основными из которых являются следующие:

Последний недостаток является наиболее серьезным и именно им ограничивается применимость связного представления данных. Если в смежном представлении данных для вычисления адреса любого элемента нам во всех случаях достаточно было номера элемента и информации, содержащейся в дескрипторе структуры, то для связного представления адрес элемента не может быть вычислен из исходных данных. Дескриптор связной структуры содержит один или несколько указателей, позволяющих войти в структуру, далее поиск требуемого элемента выполняется следованием по цепочке указателей от элемента к элементу. Поэтому связное представление практически никогда не применяется в задачах, где логическая структура данных имеет вид вектора или массива – с доступом по номеру элемента, но часто применяется в задачах, где логическая структура требует другой исходной информации доступа (таблицы, списки, деревья и т.д.).

Порядок работы с динамическими структурами данных следующий:

Классификация динамических структур данных

Во многих задачах требуется использовать данные, у которых конфигурация, размеры и состав могут меняться в процессе выполнения программы. Для их представления используют динамические информационные структуры. К таким структурам относят:

Они отличаются способом связи отдельных элементов и/или допустимыми операциями. Динамическая структура может занимать несмежные участки оперативной памяти.

Динамические структуры широко применяют и для более эффективной работы с данными, размер которых известен, особенно для решения задач сортировки.

Объявление динамических структур данных

Каждая компонента любой динамической структуры представляет собой запись, содержащую, по крайней мере, два поля: одно поле типа указатель, а второе – для размещения данных. В общем случае запись может содержать не один, а несколько указателей и несколько полей данных. Поле данных может быть переменной, массивом или структурой. Для наилучшего представления изобразим отдельную компоненту в виде:

где поле Р – указатель; поле D – данные.

Элемент динамической структуры состоит из двух полей:

Объявление элемента динамической структуры данных выглядит следующим образом:

struct имя_типа {
                 информационное поле;
                 адресное поле;
                };

Например:

struct TNode {
              int Data;//информационное поле
              TNode *Next;//адресное поле
            };

Информационных и адресных полей может быть как одно, так и несколько.

Рассмотрим в качестве примера динамическую структуру, схематично указанную на рис 28.1:

Данная структура состоит из 4 элементов. Ее первый элемент имеет поле Data, равное 73, и связан с помощью своего поля Next со вторым элементом, поле Data которого равно 28, и так далее до последнего, четвертого элемента, поле Data которого равно 85, а поле Next равно NULL, то есть нулевому адресу, что является признаком завершения структуры. Здесь P является указателем, который указывает на первый элемент структуры.

Доступ к данным в динамических структурах

Элемент динамической структуры в каждый момент может либо существовать, либо отсутствовать в памяти, поэтому его называют динамическим. Поскольку элементами динамической структуры являются динамические переменные, то единственным средством доступа к динамическим структурам и их элементам является указатель (адрес) на место их текущего расположения в памяти. Таким образом, доступ к динамическим данным выполняется специальным образом с помощью указателей.

Указатель содержит адрес определенного объекта в динамической памяти. Адрес формируется из двух слов: адрес сегмента и смещение. Сам указатель является статическим объектом и расположен в сегменте данных (рис 28.2).

Для обращения к динамической структуре достаточно хранить в памяти адрес первого элемента структуры. Поскольку каждый элемент динамической структуры хранит адрес следующего за ним элемента, можно, двигаясь от начального элемента по адресам, получить доступ к любому элементу данной структуры.

Доступ к данным в динамических структурах осуществляется с помощью операции "стрелка" ( -> ), которую называют операцией косвенного выбора элемента структурного объекта, адресуемого указателем. Она обеспечивает доступ к элементу структуры через адресующий ее указатель того же структурного типа. Формат применения данной операции следующий:

УказательНаСтруктуру-> ИмяЭлемента

Операции "стрелка" ( -> ) двуместная. Применяется для доступа к элементу, задаваемому правым операндом, той структуры, которую адресует левый операнд. В качестве левого операнда должен быть указатель на структуру, а в качестве правого – имя элемента этой структуры.

Например:

p->Data;
p->Next;

Имея возможность явного манипулирования с указателями, которые могут располагаться как вне структуры, так и "внутри" отдельных ее элементов, можно создавать в памяти различные структуры.

Однако необходимо помнить, что работа с динамическими данными замедляет выполнение программы, поскольку доступ к величине происходит в два шага: сначала ищется указатель, затем по нему – величина.

Работа с памятью при использовании динамических структур

В программах, в которых необходимо использовать динамические структуры данных, работа с памятью происходит стандартным образом. Выделение динамической памяти производится с помощью операции new или с помощью библиотечной функции malloc (calloc). Освобождение динамической памяти осуществляется операцией delete или функцией free.

Например, объявим динамическую структуру данных с именем Node с полями Name, Value и Next, выделим память под указатель на структуру, присвоим значения элементам структуры и освободим память.

struct Node {char *Name;
             int Value;
             Node *Next
            };
Node *PNode; //объявляется указатель

PNode = new Node; //выделяется память

PNode->Name = "STO"; //присваиваются значения
PNode->Value = 28;
PNode->Next = NULL;

delete PNode; // освобождение памяти

Ключевые термины

Адрес сегмента – это одно из машинных слов, составляющих адрес динамического элемента, которое представляет собой адрес первого элемента структуры.

Адресное поле (поле связок) – это поле структуры, в котором содержится указатель, связывающий данный элемент с другими элементами структуры.

Динамические структуры данных – это структуры данных, память под которые выделяется и освобождается не на этапе компиляции, а в процессе работы программы.

Динамический элемент – это элемент динамической структуры, который в конкретный момент выполнения программы может либо существовать, либо отсутствовать в памяти.

Динамическое распределение памяти – это выделение памяти под отдельные элементы в тот момент, когда они "начинают существовать" в процессе выполнения программы.

Информационное поле (поле данных) – это поле структуры, в котором содержатся непосредственно обрабатываемые данные.

Связное представление данных – это установление связи между элементами динамической структуры через указатели.

Смещение – это одно из машинных слов, составляющих адрес динамического элемента, которое представляет собой изменение адреса относительно первого элемента структуры.

Краткие итоги

Лабораторная работа 28. Динамические структуры данных

Цель работы: изучить понятия, классификацию, объявления и особенности доступа к данным в динамических структурах, работу с памятью при использовании структур в программе, научиться решать задачи с использованием динамических структур в языке C++.

При выполнении лабораторной работы для каждого задания требуется написать программу на языке С++, в которой выполнена разработка динамической структуры в соответствии с постановкой задачи, ввод данных элементов структурного типа, их обработка и вывод на экран в указанном формате. Для хранения данных структуры следует использовать ресурсы динамической памяти. Ввод данных осуществляется с клавиатуры с учетом требований к входным данным, содержащихся в постановке задачи. Ограничениями на входные данные являются диапазоны числовых типов полей структуры и допустимый размер области динамической памяти в языке С++.

Теоретические сведения.

Ознакомьтесь с материалом лекции 28.

Задания к лабораторной работе.

Выполните приведенные ниже задания.

Указания к выполнению работы.

Каждое задание необходимо решить в соответствии с изученными методами объявления и обработки данных динамических структур в языке С++. При объявлении структурного типа выполните комментирование используемых полей структуры. Программу для решения каждого задания необходимо разработать методом процедурной абстракции, оформив комментарии к коду.

Следует реализовать каждое задание в соответствии с приведенными этапами:

Требования к отчету.

Отчет по лабораторной работе должен соответствовать следующей структуре.

Контрольные вопросы