1 Algorithmique et structures de données en C É. Delozanne, L2-S4-prog4, Paris 5, 2004-05 Introduction-Le.

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1 1 Algorithmique et structures de données en C É. Delozanne, L2-S4-prog4, Paris 5, 2004-05 Elisabeth.Delozanne@math-info.univ-paris5.fr Introduction-Le TDA Liste (1) Cours 1

2 2 Intro et Le TDA LISTE (1) Cours n°1 1. Introduction 2. Qualités d'un logiciel 2. Les types de données abstraits (TDA) 3. Le TDA LISTE 4. Opérations fondamentales sur les listes 5. Algorithmes abstraits sur les listes Cours n° 2 6. Réalisations du TDA LISTE 7. Comparaison des réalisations Programmes : \\diamant.ens.math-info.univ-paris5.fr\Data L2\prog4 Site : http://www.math-info.univ-paris5.fr/~delozanne/prog4Printemps05/ AccueilProg4.htm

3 3 Objectifs de formation adopter une attitude professionnelle apprendre à apprendre tout(e) seul(e) apprendre les principes qui supportent les techniques comprendre et anticiper les évolutions apprendre à mettre au point et à défendre un projet, une conception méthodes d'enseignement qui nécessitent plus de travail personnel

4 4 Objectifs d'apprentissage en prog4 langages de programmation maîtriser le langages C –gestion de la mémoire dynamique écrire des fonctions C lisibles et réutilisables structures de données de base et algorithmes connaître les principaux (et leur coût) savoir choisir une structure de données et une mise en oeuvre s'habituer à utiliser des types de données abstraits savoir passer d'une description abstraite à une réalisation informatique en C programmation avancée connaître les concepts de programmation : abstraction, encapsulation, généricité

5 5 Conclusion adoptez une attitude positive et active des objectifs de formation ambitieux c'est bien pour vous mais cela demande votre adhésion Vous êtes les acteurs principaux de votre réussite

6 6 Programme du cours Aspects programmation de létude des algorithmes et des structures de données Concepts : abstraction, généricité, encapsulation –Préparation à la POO Techniques : la manipulation des pointeurs, la gestion de la mémoire dynamique Structures de données Listes, Piles, Files, Arbres, Tables (Graphes : dans le module dalgorithmique) Tris Choix : Présentation sous forme de Types de Données Abstraits Écriture de programmes lisibles et efficaces (complexité) Nous ne traiterons pas les problèmes doptimisation de code

7 7 Qualités d'un logiciel valide : réalise exactement les tâches définies par la spécification robuste : fonctionne même dans des conditions anormales fiable : valide + robuste extensible : s'adapte aux changements de spécification réutilisable : en tout ou en partie dans de nouvelles applications, par dautres compatible : peut être combiné avec d'autres autres : efficace, portable, vérifiable, facile d'utilisation

8 8 Maintenance Partie immergée de l'iceberg Estimation adaptation à l'évolution des besoins (42 %) modification des formats de données (17 %) corrections d'erreurs urgentes (12 %) corrections d'erreurs mineures (9 %) modification de matériel (6 %) documentation (5 %) amélioration de l'efficacité (4 %)

9 9 Programmer aujourd'hui Bidouilleur génial isolé quelque fois utile souvent considéré comme une calamité en un mot : ringard Membre d'une équipe doit maintenir ou faire évoluer ou réutiliser du code écrit par d'autres doit s'adapter aux utilisateurs doit choisir et utiliser sur des gros projets –des bibliothèques de code déjà écrit –des ateliers de génie logiciel –des normes de qualité, guides de style, "design patterns"

10 10 Principes des TDA se placer à un niveau d'abstraction élevé éviter les erreurs de conception programmer avec des opérations de haut niveau qui ne dépendent pas de la représentation interne qui permettent de changer de représentation qui permettent à l'utilisateur de se concentrer sur les problèmes de conception en ignorant les détails de réalisation encapsuler les données n'accéder à la représentation interne que via des fonctions l'utilisateur ne voit que les services (linterface) pas la représentation interne

11 11 Les types de données abstraits (TDA) définition : un ensemble de données organisé pour que –les spécifications des objets et des opérations sur ces objets –soient séparées –de la représentation interne des objets et de la mise en œuvre des opérations nés de préoccupation de génie logiciel abstraction encapsulation vérification de types

12 12 Incarnation d'un TDA définition : une incarnation (une réalisation, une mise en œuvre, une « implémentation ») d'un TDA est la déclaration de la structure de données particulière retenue pour représenter le TDA –Linterface (fichier.h) et la définition (i.e le code) des opérations primitives dans un langage particulier –La réalisation (fichier.c) on parle aussi de type concret de données

13 13 En résumé InterfaceRéalisation SpécificationCode C Utilisateurs (autres programmeurs) Programmeur Fichier en-tête (.h)Fichier source (.c)

14 14 Avantages des TDA écriture de programmes en couches : la couche supérieure traite le problème dans les termes du domaine de problèmes –Empiler (x, P) la couche inférieure entre dans les détails du langage de programmation –tab[sp++] = x séparation claire des offres de service du codage facilité de compréhension et d'utilisation des modules de codes prise en compte de types complexes briques d'une structuration modulaire rigoureuse introduction à la programmation objet

15 15 Inconvénients des TDA l'utilisateur d'un TDA connaît les services mais ne connaît pas leur coût le concepteur du TDA connaît le coût des services mais ne connaît pas leurs conditions d'utilisation le choix des primitives est quelque fois difficile à faire

16 16 Orientation de prog4 Règle empirique des 90-10 (80-20) Un programme passe 90 % de son temps sur 10 % du code. Sur ces 10 % l'efficacité est cruciale : chercher à optimiser le code s'intéresser à la représentation interne Pour le reste du programme les autres critères sont primordiaux : –lisibilité, maintenabilité etc. rester à un niveau d'abstraction élevé.

17 17 Règles de lisibilité à respecter 1. Commencez par décrire en français lorganisation générale de votre programme 2. Écrivez des fonctions courtes (entre 1 et 20 lignes) 3. Commentez les prototypes des fonctions (paramètres, valeur de retour, rôle de la fonction, astuces éventuelles) 4. Utilisez les fichiers den-têtes 5. Soyez cohérents dans les identificateurs que vous définissez 6. Respectez les règles de base de la programmation structurée nutilisez pas de variables globales, ni de goto, ni de break, ni dexit, ni de return dans une boucle (sauf exception à justifier impérativement)

18 18 Intro et Le TDA LISTE (1) Cours n°1 1. Introduction 2. Qualités d'un logiciel 2. Les types de données abstraits (TDA) 3. Le TDA LISTE 4. Opérations fondamentales sur les listes 5. Algorithmes abstraits sur les listes Cours n° 2 6. Réalisations du TDA LISTE 7. Comparaison des réalisations

19 19 Le TDA LISTE Définition une liste est une suite finie (éventuellement vide) d'éléments liste homogène : tous les éléments sont du même type liste hétérogène : les éléments sont de type différents dans la suite nous intéressons aux listes homogènes

20 20 TDA ELEMENT tous les éléments appartiennent à un TDA ELEMENT qui possède un élément vide et sur lequel on peut : saisir un élément ElementLire afficher un élément ElementAfficher affecter dans un élément un autre élément ElementAffecter tester si deux éléments sont identiques ElementIdentique allouer la mémoire dynamique ou initialiser un élément ElementCreer libérer la mémoire allouée pour un élément ElementDetruire

21 21 TDA POSITION On dispose d'un TDA POSITION permettant de repérer un élément dans la liste sur lequel on peut : tester si deux positions sont égales : PositionIdentique affecter dans une position une autre position PositionAffecter Dans la suite : une position sera un entier ou un pointeur Pour alléger les notations Nous testerons légalité de deux positions avec == Nous utiliserons laffectation = pour affecter une position dans une autre

22 22 SIGNATURE DU TDA LISTE Élément particulier : liste vide Utilise : ELEMENT, POSITION Fonctions primitives : test ListeVide consultation de la liste ListeAccèder parcours ListePremier, ListeSuivant, ListeSentinelle modification de la liste ListeInsérer, ListeSupprimer allocation, libération de mémoire dynamique ListeCreer, ListeDetruire

23 23 Opérations classiques sur les listes à l'aide de ces quelques primitives, on peut exprimer les opérations classiques sur les listes,et ce, sans se soucier de la réalisation concrète des listes sans manipuler ni pointeurs, ni tableaux, ni faux curseur sans mettre les mains dans le cambouis trois exemples : ListeAfficher, ListePrecedent ListeLocaliser d'autres exemples en TD et en TP raz, nettoyer longueur, insérer au début, à la fin supprimer au début, supprimer à la fin...

24 24 ListeAfficher Signature : un argument la liste l à afficher ; pas de valeur de retour affiche chaque élément de la liste void ListeAfficher(LISTE L) { POSITION p, fin = ListeSentinelle(L); printf("\n("); for (p = ListePremier(L); p!= fin ; p = ListeSuivant(p, L)) { ElementAfficher(ListeAcceder(p, L)); } printf(")\n"); }

25 25 ListePrecedent signature: deux arguments : une position p et une liste l retourne la position précédent p dans l si elle existe, sinon retourne la sentinelle POSITION ListePrecedent (POSITION p, LISTE L) { POSITION avant, courant, fin ; avant = ListePremier (L) ; courant = ListeSuivant (avant, L) ; fin = ListeSentinelle(L) ; for(;p !=courant && courant !=fin; avant=courant, courant=ListeSuivant(courant,L)); return (courant == p ? avant : fin); }

26 26 ListeLocaliser signature deux arguments : un élément x et une liste l retourne la première position où on rencontre x dans l et sinon retourne la sentinelle POSITION ListeLocaliser (ELEMENT x, LISTE L) { POSITION p = ListePremier (L), fin = ListeSentinelle(L) ; for (; p != fin && !ElementIdentique(x, ListeAcceder(p, L)) ; p = ListeSuivant (p,L) ); return p ; }

27 27 Parcours dune liste Même structure dalgorithme que parcours de tableaux Parcours du début à la fin Initialisations : (dont) position courante = debut Continuation : position courante != position finale Post- instruction : passer à la position suivante For (initialisation; continuation; post-instruction) { Traitement sur la position courante } Parcours de recherche Initialisations : (dont) position courante = debut Continuation : (pas au bout ) ET (pas trouvé) Post- instruction : passer à la position suivante For (initialisation; continuation; post-instruction) { Traitement sur la position courante }

28 28 Algorithmes abstraits sur le TDA LISTE algorithmes utilisant les opérations sur les listes ex : ListePurger qui élimine les répétitions dans une liste signature : trois signatures sont possibles ListePurger 1.modifie physiquement la liste initiale (qui est donc perdue) et qui est un argument passé par adresse (purge sur place) 2.retourne dans un argument passé par adresse une copie de la liste initiale, copie où les répétitions ont été enlevées 3.retourne une copie de la liste initiale crée à lintérieur de la fonction, copie où les répétitions ont été enlevées (à côté de la liste à purger) Programmation impérative : version 1 et 2 Programmation fonctionnelle : version 3

29 29 Programmation impérative Le résultat est un paramètre de la procédure modifié physiquement à l'exécution en C : –paramètre obligatoirement passé par adresse version 1 : purge sur place ListePurger(L) modifie physiquement la liste L en supprimant les répétitions version 2 : purge à côté ListePurger(L, LL) modifie physiquement L –Au départ L est vide –Après L contient une version purgée de LL (qui elle est inchangée)

30 30 Construction à côté du résultat, prog impérative void ListePurger (LISTE L, LISTE LL ) { ELEMENT x ; POSITION p, q, fin ; fin = ListeSentinelle (LL) ; p = ListePremier (LL); q = ListePremier (L); for ( ; p != fin ; p = ListeSuivant(p, LL) ){ ElementAffecter(&x, ListeAcceder(p, LL)); if (ListeLocaliser(x,L) == ListeSentinelle(L)) { ListeInserer (x, q, L) ; q = ListeSuivant(q, L); } } }

31 31 Construction à côté, prg fonctionnelle LISTE ListePurger (LISTE L) { LISTE LL ; ELEMENT x ; POSITION p, q, fin ; LL = ListeCreer() ; /* alloue la mémoire pour la liste vide */ fin = ListeSentinelle (L) ; p = ListePremier (L); q = ListePremier (L); for ( ; p != fin ; p = ListeSuivant(p, L) ){ x = ListeAcceder(p, L) ; if (ListeLocaliser(x, LL) == ListeSentinelle(LL)) { ListeInserer (x, q, LL) ; q = ListeSuivant(q, LL); } } return LL ; /* attention retour d'un pointeur déclaré dans la fonction La zone pointée a-t-elle été allouée dynamiquement (sinon pointeur fou) ? Si oui, Qui la libérera? (fuites de mémoires possibles*/ }

32 32 Programmation fonctionnelle Le résultat est retourné par la fonction au programme qui l'a appelée Ce type de programmation extrêmement puissant est mal supporté par le langage C aucun problème pour les résultats de type simple retourné par valeur deux problèmes pour les résultats locaux retournés par adresse : –le choléra : pointeur fou –la peste : fuite de mémoire Cf. prog3 et TD1 et TD-Machine 1 de prog3

33 33 Utilisation des TDA en C Difficultés liées au langage C liées aux problèmes du passage des paramètres par valeur liées à l'absence de gc (glaneur de cellules, garbage collector, ramasse-miettes) Difficultés liées au TDA lefficacité des opérations dépend de la réalisation des opérations primitives

34 34 Take Home Message lors de la conception dun programme penser abstrait ; lors de la mise au point se soucier –des représentations, –du langage –de l'efficacité ; –et en C de la gestion de mémoire

35 35 Auto-évaluation 1. Quelles sont les différentes qualités dun logiciel ? 2. Quelles sont les règles de lisibilité des programmes à respecter en prog4 ? 3. Quest-ce que la règle des 90-10 ? 4. Quest-ce quon appelle linterface dun TDA ? linterface utilisateur dune application ? Qui est lutilisateur dun TDA ? Dune application ? 5. Quelles sont les primitives du TDA ELEMENT ? Du TDA LISTE ? 6. Écrire en fonction des primitives du TDA LISTE et du TDA ELEMENT, les opérations ListeAfficher, ListeLocaliser, ListePrecedent 7. Quest-ce quun pointeur fou ? Une fuite de mémoire ? Pourquoi sont-ce des problèmes ? Comment les éviter ? 8. Pourquoi le C supporte-til difficilement le style de programmation fonctionnelle quand le résultat retourné par la fonction est une adresse ?

36 36 Intro et Le TDA LISTE (1) Cours n°1 1. Introduction 2. Qualités d'un logiciel 2. Les types de données abstraits (TDA) 3. Le TDA LISTE 4. Opérations fondamentales sur les listes 5. Algorithmes abstraits sur les listes Cours n° 2 6. Réalisations du TDA LISTE 7. Comparaison des réalisations