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Commit e0cf3799 authored by Peter Gerwinski's avatar Peter Gerwinski
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Vorbereitung 30.4.2018

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% ad-20180430.pdf - Lecture Slides on Algorithms and Data Structures in C/C++
% Copyright (C) 2018 Peter Gerwinski
%
% This document is free software: you can redistribute it and/or
% modify it either under the terms of the Creative Commons
% Attribution-ShareAlike 3.0 License, or under the terms of the
% GNU General Public License as published by the Free Software
% Foundation, either version 3 of the License, or (at your option)
% any later version.
%
% This document is distributed in the hope that it will be useful,
% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
% GNU General Public License for more details.
%
% You should have received a copy of the GNU General Public License
% along with this document. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
%
% You should have received a copy of the Creative Commons
% Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
% document. If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
% README: Einführung in C++, Objekte
\documentclass[10pt,t]{beamer}
\usepackage{pgslides}
\usepackage{tikz}
\usepackage{soul}
\newcommand{\underconstruction}{%
\begin{picture}(0,0)
\color{black}
\put(7,-2.2){\makebox(0,0)[b]{\includegraphics[width=1.5cm]{Zeichen_123.pdf}}}
\put(7,-2.5){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{Änderungen\\vorbehalten}}}
\end{picture}}
\title{Algorithmen und Datenstrukturen in C/C++}
\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
\date{30.\ April 2018}
\begin{document}
\maketitleframe
\nosectionnonumber{\inserttitle}
\begin{frame}
\shownosectionnonumber
\begin{itemize}
\item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
\underconstruction
\hfill\makebox(0,0)[br]{\raisebox{2.25ex}{\url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/ad.git}}}
\item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C++}
\begin{itemize}
\color{medgreen}
\item[2.10] Typ-Konversionen
\end{itemize}
\item[\textbf{3}] \textbf{Datenorganisation}
\begin{itemize}
\color{medgreen}
\item[3.1] Standard-Container-Templates
\item[3.2] Iteratoren
\color{red}
\item[3.3] Hash-Tabellen
\item[3.4] Balancierte Bäume
\item[\dots]
\end{itemize}
\item[\textbf{4}] \textbf{Datenkodierung}
% \begin{itemize}
% \item Fehlererkennung und -korrektur
% \item Kompression
% \item Kryptographie
% \end{itemize}
\item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Algorithmen}
% \begin{itemize}
% \item FFT, CORDIC, \dots
% \end{itemize}
\item[\textbf{6}] \textbf{Optimierung}
% \begin{itemize}
% \item Wegfindung, \dots
% \end{itemize}
\color{gray}
\item[\textbf{7}] \textbf{Numerik}
\end{itemize}
\end{frame}
\setcounter{section}{1}
\section{Einführung in C++}
\setcounter{subsection}{9}
\subsection{Typ-Konversionen}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
\begin{itemize}
\item
In C:
\begin{lstlisting}[gobble=8]
char *hello = "Hello, world!";
uint64_t address = (uint64_t) hello;
printf ("%" PRIu64 "\n", address);
\end{lstlisting}
\smallskip
\item
alternative Syntax in C++:
\begin{lstlisting}[gobble=8]
char *hello = "Hello, world!";
uint64_t address = uint64_t (hello);
cout << address << endl;
\end{lstlisting}
\smallskip
\item
zusätzlich in C++:\\
implizite und explizite Typumwandlung zwischen Zeigern auf Klassen\\
\lstinline{dynamic_cast<>()}\\
\lstinline{static_cast<>()}\\
\lstinline{reinterpret_cast<>()}\\
\lstinline{const_cast<>()}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
\url{http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/typecasting/}
\begin{itemize}
\item
Zuweisung: Zeiger auf abgeleitete Klasse an Zeiger auf Basisklasse\\
\textarrow\ implizite Typumwandlung möglich
\smallskip
\item
Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
\textarrow\ nur explizite Typumwandlung möglich:\\
\hspace*{0.76cm}\lstinline{dynamic_cast<>()}, \lstinline{static_cast<>()}
\smallskip
\item
implizite Typumwandlungen in der Klasse definieren:
\begin{itemize}
\item
Initialisierung durch Konstruktor
\item
Zuweisungs-Operator
\item
Typumwandlungsoperator
\end{itemize}
\smallskip
\item
implizite Typumwandlungen ausschalten:\\
Schlüsselwort \lstinline{explicit}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
\url{http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/typecasting/}
\begin{itemize}
\item
\lstinline{dynamic_cast<>()}\\
Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
explizite Typumwandlung mit Prüfung, ggf.\ Exception
\smallskip
\item
\lstinline{static_cast<>()}\\
Zuweisung: Zeiger auf Basisklasse an Zeiger auf abgeleitete Klasse\\
explizite Typumwandlung ohne Prüfung
\smallskip
\item
\lstinline{reinterpret_cast<>()}\\
Typumwandlung ohne Prüfung zwischen Zeigern untereinander\\
und zwischen Zeigern und Integer-Typen
\smallskip
\item
\lstinline{const_cast<>()}\\
"`\lstinline{const}"' ein- bzw.\ ausschalten
\end{itemize}
\end{frame}
\section{Datenorganisation}
\subsection{Standard-Container-Templates}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
\url{http://www.cplusplus.com/reference/stl/}
\begin{itemize}
\item
Fertige Templates für Arrays (Stack, FIFO),\\
verkettete Listen -- und mehr
\smallskip
\item
Methoden:\\
\lstinline{push_back ()}, \lstinline{pop_back ()},\\
\lstinline{push_front ()}, \lstinline{pop_front ()},\\
\lstinline{insert ()}, \lstinline{delete ()}, \dots
\smallskip
\item
\lstinline{emplace}-Methoden
\smallskip
\item
Der Container übernimmt die vollständige Kontrolle\\
über seinen Inhalt.
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsubsection
\begin{tabular}{ll}
\lstinline|array| & Array mit fester Größe \\
\lstinline|bitset| & festes Array von Bits (Booleans) \\
\lstinline|vector| & dynamisches Array \\
\lstinline|vector <bool>| & dynamisches Bit-Array \\
\lstinline|forward_list| & einfach-verkettete Liste \\
\lstinline|list| & doppelt-verkettete Liste \\
\lstinline|set| & binärer Baum \\
\lstinline|multiset| & mehrfache Elemente zulässig \\
\lstinline|unordered_set| & Hash-Tabelle \\
\lstinline|unordered_multiset| & mehrfache Elemente zulässig \\
\lstinline|map| & binärer Baum mit separaten Schlüsselwerten \\
\lstinline|multimap| & mehrere Elemente pro Schlüssel \\
\lstinline|unordered_map| & Hash-Tabelle mit separaten Schlüsselwerten \\
\lstinline|unordered_multimap| & mehrere Elemente pro Schlüssel \\
\lstinline|stack| & Stack \\
\lstinline|queue| & FIFO \\
\lstinline|deque| & \emph{\textbf{d}ouble-\textbf{e}nded \textbf{que}ue} \\
\lstinline|priority_queue| & geordneter Push-Pop-Container
\end{tabular}
\end{frame}
\subsection{Iteratoren}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
Pointer-Arithmetik:
\medskip
\begin{lstlisting}
int prime[5] = { 2, 3, 5, 7, 11 };
for (int *p = prime; p != prime + 5; p++)
cout << *p << endl;
\end{lstlisting}
\bigskip
Iterator als Verallgemeinerung:
\medskip
\begin{lstlisting}
array <int, 5> prime = { { 2, 3, 5, 7, 11 } };
for (array <int, 5>::iterator p = prime.begin (); p != prime.end (); p++)
cout << *p << endl;
\end{lstlisting}
\end{frame}
\subsection{Hash-Tabellen}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
Idee: Ein String ist auch nur eine große Zahl.\\
Wenn man die irgendwie zurechtstutzt,\\
kann man sie als Array-Index verwenden.
\bigskip
\textbf{Übungsaufgabe:}
\smallskip
Schreiben Sie ein Programm, das zu Strings (z.\,B.\ Namen)\\
Datensätze speichern und diese in $\mathcal{O}(1)$ wieder abrufen kann.
\begin{itemize}
\item[(a)]
Verwenden Sie das Hash-Tabellen-Template\\
aus der C++-Standardbibliothek.
\item[(b)]
Programmieren Sie die Hash-Tabelle selbst.
\end{itemize}
\smallskip
Teamarbeit, Internet-Recherchen\\
und die Verwendung anderer Container-Standard-Templates\\
sind ausdrücklich erlaubt.
\end{frame}
\subsection{Balancierte Bäume}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
\begin{itemize}
\item
\textbf{Problem:} Entartung von Bäumen\\
\textbf{Lösung:} variable Anzahl von Verzweigungen
\item
\textbf{Problem:} Datenstruktur zu groß für Hauptspeicher\\
\textbf{Lösung:} ``intelligentes'' Auslagern
\end{itemize}
\textbf{B-Baum:}
\begin{itemize}
\item
immer mindestens $t$, höchstens $2t$ Verzweigungen
\item
Einfügen: wenn Knoten voll, teilen
\item
Löschen:
\begin{itemize}\itemsep2pt
\item
unterste Ebene: ggf.\ verschieben, ggf.\ verschmelzen
\item
in inneren Knoten: Wert von unten ersetzen,
ggf.\ verschmelzen
\end{itemize}
\item
einfachster Fall: 2-3-4-Baum
\end{itemize}
\end{frame}
\nosectionnonumber{\inserttitle}
\begin{frame}
\shownosectionnonumber
\begin{itemize}
\item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
\underconstruction
\hfill\makebox(0,0)[br]{\raisebox{2.25ex}{\url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/ad.git}}}
\item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C++}
\begin{itemize}
\item[2.10] Typ-Konversionen
\end{itemize}
\item[\textbf{3}] \textbf{Datenorganisation}
\begin{itemize}
\item[3.1] Standard-Container-Templates
\item[3.2] Iteratoren
\color{medgreen}
\item[3.3] Hash-Tabellen
\item[3.4] Balancierte Bäume
\item[\dots]
\end{itemize}
\item[\textbf{4}] \textbf{Datenkodierung}
% \begin{itemize}
% \item Fehlererkennung und -korrektur
% \item Kompression
% \item Kryptographie
% \end{itemize}
\item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Algorithmen}
% \begin{itemize}
% \item FFT, CORDIC, \dots
% \end{itemize}
\item[\textbf{6}] \textbf{Optimierung}
% \begin{itemize}
% \item Wegfindung, \dots
% \end{itemize}
\color{gray}
\item[\textbf{7}] \textbf{Numerik}
\end{itemize}
\end{frame}
\end{document}
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