Vorbereitung 21.1.2019

20190121/aufgabe-1.c

+#include <stdio.h>
+
+#define STACK_SIZE 10
+
+int stack[STACK_SIZE];
+int stack_pointer = 0;
+
+void push (int x)
+{
+  stack[stack_pointer++] = x;
+}
+
+int pop (void)
+{
+  return stack[--stack_pointer];
+}
+
+void show (void)
+{
+  printf ("stack content:");
+  for (int i = 0; i < stack_pointer; i++)
+    printf (" %d", stack[i]);
+  if (stack_pointer)
+    printf ("\n");
+  else
+    printf (" (empty)\n");
+}
+
+void insert (int x, int pos)
+{
+  for (int i = pos; i < stack_pointer; i++)
+    stack[i + 1] = stack[i];
+  stack[pos] = x;
+  stack_pointer++;
+}
+
+void insert_sorted (int x)
+{
+  int i = 0;
+  while (i < stack_pointer && x < stack[i])
+    i++;
+  insert (x, i);
+}
+
+int main (void)
+{
+  push (3);
+  push (7);
+  push (137);
+  show ();
+  insert (5, 1);
+  show ();
+  insert_sorted (42);
+  show ();
+  insert_sorted (2);
+  show ();
+  return 0;
+}

20190121/hello-gtk.png

+../common/hello-gtk.png
\ No newline at end of file

20190121/hp-uebung-20190121.tex

+% hp-uebung-20190121.pdf - Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019  Peter Gerwinski
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+% Foundation, either version 3 of the License, or (at your option)
+% any later version.
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+% 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: Stack-Operationen, doppelt verkettete Liste, ternärer Baum
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+\usepackage{tikz}
+
+\begin{document}
+
+%  \thispagestyle{empty}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Übungsaufgaben -- 21.\ Januar 2019}
+
+  Diese Übung enthält Punkteangaben wie in einer Klausur.
+  Um zu "`bestehen"', müssen Sie innerhalb von 90 Minuten
+  unter Verwendung ausschließlich zugelassener Hilfsmittel
+  16 Punkte (von insgesamt \totalpoints) erreichen.
+
+  \exercise{Stack-Operationen}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm (\gitfile{hp}{20180122}{aufgabe-1.c}):
+
+  \begin{minipage}[t]{0.5\textwidth}
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      #include <stdio.h>
+
+      #define STACK_SIZE 10
+
+      int stack[STACK_SIZE];
+      int stack_pointer = 0;
+
+      void push (int x)
+      {
+        stack[stack_pointer++] = x;
+      }
+
+      int pop (void)
+      {
+        return stack[--stack_pointer];
+      }
+
+      void show (void)
+      {
+        printf ("stack content:");
+        for (int i = 0; i < stack_pointer; i++)
+          printf (" %d", stack[i]);
+        if (stack_pointer)
+          printf ("\n");
+        else
+          printf (" (empty)\n");
+      }
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{0.5\textwidth}
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      void insert (int x, int pos)
+      {
+        for (int i = pos; i < stack_pointer; i++)
+          stack[i + 1] = stack[i];
+        stack[pos] = x;
+        stack_pointer++;
+      }
+
+      void insert_sorted (int x)
+      {
+        int i = 0;
+        while (i < stack_pointer && x < stack[i])
+          i++;
+        insert (x, i);
+      }
+
+      int main (void)
+      {
+        push (3);
+        push (7);
+        push (137);
+        show ();
+        insert (5, 1);
+        show ();
+        insert_sorted (42);
+        show ();
+        insert_sorted (2);
+        show ();
+        return 0;
+      }
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}
+
+  \begin{enumerate}[\quad(a)]
+    \item
+      Ändern Sie das Programm so,
+      daß die Funktion \lstinline{insert()} ihren Parameter \lstinline{x}
+      an der Stelle \lstinline{pos} in den Stack einfügt,
+      und den sonstigen Inhalt des Stacks verschiebt, aber nicht zerstört.
+      \points{3}
+    \item
+      Ändern Sie das Programm so,
+      daß die Funktion \lstinline{insert_sorted()} ihren Parameter \lstinline{x}
+      an derjenigen Stelle einfügt, an die er von der Sortierung her gehört.
+      (Der Stack wird hierbei vor dem Funktionsaufruf als sortiert vorausgesetzt.)
+      \points{2}
+    \item
+      Schreiben Sie eine zusätzliche Funktion \lstinline{int search (int x)},
+      die die Position (Index) des Elements \lstinline{x}
+      innerhalb des Stack zurückgibt
+      -- oder \lstinline{-1}, wenn \lstinline{x} nicht im Stack enthalten ist.
+      Der Rechenaufwand darf höchstens $\mathcal{O}(n)$ betragen.
+      \points{3}
+    \item
+      Wie (c), aber der Rechenaufwand darf höchstens $\mathcal{O}(\log n)$ betragen.
+      \points{4}
+  \end{enumerate}
+
+  \goodbreak
+
+  \exercise{Doppelt verkettete Liste}
+
+  In der Vorlesung wurde ein Beispiel-Programm
+%  (\gitfile{hp}{20180122}{lists-11.c})
+  zur Verwaltung einfach verketteter Listen erstellt
+  (an die Liste anhängen, in die Liste einfügen, Liste ausgeben usw.).
+
+  \begin{enumerate}[\quad(a)]
+    \item
+      Ergänzen Sie eine Funktion \lstinline{delete_from_list()}
+      zum Löschen eines Elements aus der Liste
+      mit Freigabe des Speicherplatzes.
+      \points{3}
+    \item
+      Ergänzen Sie eine Funktion \lstinline{reverse_list()}
+      die die Reihenfolge der Elemente in der Liste umdreht.\\
+      \points{3}
+  \end{enumerate}
+
+  Eine doppelt verkettete Liste hat in jedem Knotenpunkt (\lstinline{node})
+  \emph{zwei\/} Zeiger -- einen auf das nächste Element (\lstinline{next})
+  und einen auf das vorherige Element (z.\,B.\ \lstinline{prev} für "`previous"').
+  Dadurch ist es leichter als bei einer einfach verketteten Liste,
+  die Liste in umgekehrter Reihenfolge durchzugehen.
+
+  \begin{quote}
+    \begin{tikzpicture}
+      \color{blendedblue}
+      \node(first) at (0,3.5) {first};
+      \node(NULL1) at (-1,1.25) {NULL};
+      \node[shape=rectangle,draw,line width=1pt](3) at (1,2) {3};
+      \node[shape=rectangle,draw,line width=1pt](7) at (3,2) {7};
+      \node[shape=rectangle,draw,line width=1pt](137) at (5,2) {137};
+      \node(NULL2) at (7,2.75) {NULL};
+      \draw[-latex](first)--(3);
+      \draw[-latex](3) to[out=45,in=135] (7);
+      \draw[-latex](3) to[out=-135,in=0] (NULL1);
+      \draw[-latex](7) to[out=-135,in=-45] (3);
+      \draw[-latex](7) to[out=45,in=135] (137);
+      \draw[-latex](137) to[out=-135,in=-45] (7);
+      \draw[-latex](137) to[out=45,in=180] (NULL2);
+    \end{tikzpicture}
+  \end{quote}
+
+  Der Rückwärts-Zeiger (\lstinline{prev}) des ersten Elements zeigt,
+  genau wie der Vorwärts-Zeiger (\lstinline{next}) des letzten Elements,
+  auf \emph{nichts}, hat also den Wert \lstinline{NULL}.
+
+  \begin{enumerate}[\quad(a)]\setcounter{enumi}{2}
+    \item
+      Schreiben Sie das Programm um für doppelt verkettete Listen.
+      \points{5}
+  \end{enumerate}
+
+  \exercise{Ternärer Baum}
+
+  Der in der Vorlesung vorgestellte \newterm{binäre Baum\/}
+  ist nur ein Spezialfall;
+  im allgemeinen können Bäume auch mehr als zwei Verzweigungen
+  pro Knotenpunkt haben.
+  Dies ist nützlich bei der Konstruktion \emph{balancierter Bäume},
+  also solcher, die auch im \emph{Worst Case\/}
+  nicht zu einer linearen Liste entarten,
+  sondern stets eine -- möglichst flache -- Baumstruktur behalten.
+
+  Wir betrachten einen Baum mit bis zu drei Verzweigungen pro Knotenpunkt,
+  einen sog.\ \newterm{ternären Baum}.
+  Jeder Knoten enthält dann nicht nur einen,
+  sondern \emph{zwei\/} Werte als Inhalt:
+
+  \begin{lstlisting}
+    typedef struct node
+    {
+      int content_left, content_right;
+      struct node *left, *middle, *right;
+    } node;
+  \end{lstlisting}
+
+  Wir konstruieren nun einen Baum nach folgenden Regeln:
+  \vspace{-\medskipamount}
+  \begin{itemize}\itemsep0pt
+    \item
+      Innerhalb eines Knotens sind die Werte sortiert:
+      \lstinline{content_left} muß stets kleiner sein als \lstinline{content_right}.
+    \item
+      Der Zeiger \lstinline{left} zeigt auf Knoten,
+      deren enthaltene Werte durchweg kleiner sind als \lstinline{content_left}.
+    \item
+      Der Zeiger \lstinline{right} zeigt auf Knoten,
+      deren enthaltene Werte durchweg größer sind als \lstinline{content_right}.
+    \item
+      Der Zeiger \lstinline{middle} zeigt auf Knoten,
+      deren enthaltene Werte durchweg größer sind als \lstinline{content_left},
+      aber kleiner als \lstinline{content_right}.
+    \item
+      Ein Knoten muß nicht immer mit zwei Werten voll besetzt sein;
+      er darf auch \emph{nur einen\/} gültigen Wert enthalten.
+
+      Der Einfachheit halber lassen wir in diesem Beispiel
+      nur positive Zahlen als Werte zu.
+      Wenn ein Knoten nur einen Wert enthält,
+      setzen wir \lstinline{content_right = -1},
+      und der Zeiger \lstinline{middle} wird nicht verwendet.
+    \item
+      Wenn wir neue Werte in den Baum einfügen,
+      werden \emph{zuerst\/} die nicht voll besetzten Knoten aufgefüllt
+      und \emph{danach erst\/} neue Knoten angelegt und Zeiger gesetzt.
+    \item
+      Beim Auffüllen eines Knotens darf nötigenfalls \lstinline{content_left}
+      nach \lstinline{content_right} verschoben werden.
+      Ansonsten werden einmal angelegte Knoten nicht mehr verändert.
+  \end{itemize}
+  \vspace*{-\medskipamount}
+  (In der Praxis dürfen Knoten gemäß speziellen Regeln
+  nachträglich verändert werden,
+  um Entartungen gar nicht erst entstehen zu lassen --
+  siehe z.\,B.\ \url{https://de.wikipedia.org/wiki/2-3-4-Baum}.)
+
+  \begin{enumerate}[\quad(a)]
+    \item
+      Zeichnen Sie ein Schaubild, das veranschaulicht,
+      wie die Zahlen 7, 137, 3, 5, 6, 42, 1, 2 und 12
+      nacheinander und in dieser Reihenfolge
+      in den oben beschriebenen Baum eingefügt werden
+      -- analog zu den Vortragsfolien (\gitfile{hp}{20190121}{hp-20980121.pdf}),
+      Seite 43.
+      \points{3}
+      %
+      % Lösung:
+      %
+      %           7 137
+      %         /   |
+      %      3 5  12 42
+      %     /   \
+      %   1 2    6
+      %
+      % (NULL-Zeiger sind hier nicht dargestellt,
+      % gehören aber dazu.)
+      %
+    \item
+      Dasselbe, aber in der Reihenfolge 
+      2, 7, 42, 12, 1, 137, 5, 6, 3.
+      \points{3}
+      %
+      % Lösung:
+      %
+      %           2 7
+      %         /  |  \
+      %       1   5 6  12 42
+      %         /           \
+      %        3             137
+      %
+      % (NULL-Zeiger sind hier wieder nicht dargestellt,
+      % gehören aber dazu.)
+      %
+    \item
+      Beschreiben Sie in Worten und/oder als C-Quelltext-Fragment,
+      wie eine Funktion aussehen müßte, um den auf diese Weise entstandenen Baum
+      sortiert auszugeben.
+      \points{4}
+  \end{enumerate}
+
+  \bigskip
+
+  \begin{flushright}
+    \textit{Viel Erfolg -- auch in der Klausur!}
+  \end{flushright}
+
+  \makeatletter
+    \immediate\write\@mainaux{\string\gdef\string\totalpoints{\arabic{points}}}
+  \makeatother
+
+\end{document}

20190121/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf
\ No newline at end of file

20190121/logo-hochschule-bochum.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum.pdf
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20190121/pgscript.sty

+../common/pgscript.sty
\ No newline at end of file

20190121/pgslides.sty

+../common/pgslides.sty
\ No newline at end of file

README.md

@@ -30,6 +30,7 @@ Vortragsfolien und Beispiele:
  * [17.12.2018: Rekursion, Aufwandsabschätzungen](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181217/hp-20181217.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20181217/)
  * [07.01.2019: Aufwandsabschätzungen, dynamische Speicherverwaltung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190107/hp-20190107.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20190107/)
  * [14.01.2019: Objektorientierte Programmierung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190114/hp-20190114.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20190114/)
+ * [21.01.2019: Datenstrukturen](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190121/hp-20190121.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20190121/)
  * [alle in 1 Datei](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/hp-slides-2018ws.pdf)
 
 Übungsaufgaben:
@@ -47,6 +48,7 @@ Vortragsfolien und Beispiele:
  * [17.12.2018: Fakultät, Lauflicht, Länge von Strings (Neuauflage)](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20181217/hp-uebung-20181217.pdf)
  * [07.01.2019: Speicherformate von Zahlen, Zeigerarithmetik](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190107/hp-uebung-20190107.pdf)
  * [14.01.2019: Iteratorfunktionen, Objektorientierte Tier-Datenbank](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190114/hp-uebung-20190114.pdf)
+ * [21.01.2019: Stack-Operationen, doppelt verkettete Liste, ternärer Baum](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20190121/hp-uebung-20190121.pdf)
 
 Musterlösungen:
 ---------------

hp-slides-2018ws.tex

@@ -36,4 +36,6 @@
   \includepdf[pages=-]{20190107/hp-20190107.pdf}
   \pdfbookmark[1]{14.01.2019: Objektorientierte Programmierung}{20190114}
   \includepdf[pages=-]{20190114/hp-20190114.pdf}
+  \pdfbookmark[1]{21.01.2019: Datenstrukturen}{20190121}
+  \includepdf[pages=-]{20190121/hp-20190121.pdf}
 \end{document}