Prefácio... xlvii Objetivos e Público-alvo. Organização do Livro Volume 2 Volume 1. xlix Análise de Algoritmos. l Exemplos de Programação

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1 Visão Geral da Obra... v Conteúdo Resumido...vii Conteúdo Completo...ix Lista de Figuras...xxvii Lista de Tabelas...xxxix Lista de Algoritmos...xli Lista de Algoritmos...xlv Prefácio... xlvii Objetivos e Público-alvo xlvii Organização do Livro xlvii Volume 2 xlvii Volume 1 xlix Análise de Algoritmos l Exemplos de Programação l Exercícios li Material Complementar li Recursos Utilizados li Agradecimentos li Parte 1: Memórias Internas e Externas ix

2 x Tabela de Conteúdo 1 Organização de Memória Meios de Armazenamento Memória RAM Memórias ROM, PROM, EPROM e EEPROM Discos Magnéticos 58 Características Físicas Importantes 58 Geometria de Superfície 59 Capacidade 60 Acesso a Setores 61 Medidas de Desempenho 61 Armazenamento de Arquivos 64 Otimização de Acesso a Blocos Memórias Flash 65 Discos SSD 65 Pen Drive Fitas Magnéticas Acesso a Dispositivos de Entrada e Saída Arquitetura Básica de um Computador Dispositivos de Entrada e Saída Operações de Entrada e Saída Hierarquias de Memória Caching Localidade de Referência Localidades Temporal e Espacial Localidade de Acesso a Instruções Blocagem e Memória Virtual Uso de Registradores Melhorando a Localidade de Referência de um Programa Análise de Algoritmos em Memória Secundária Exemplo de Programação Medindo Tempo de Execução Exercícios de Revisão 86 Meios de Armazenamento (Seção 1.1) 86 Acesso a Dispositivos de Entrada e Saída (Seção 1.2) 88 Hierarquias de Memória (Seção 1.3) 89 Caching (Seção 1.4) 89 Localidade de Referência (Seção 1.5) 89 Análise de Algoritmos em Memória Secundária (Seção 1.6) 91 Exemplo de Programação (Seção 1.7) 92 2 Processamento de Arquivos em C Arquivos de Texto e Binários Streams2.2 94

3 Tabela de Conteúdo xi Conceito Estruturas do Tipo FILE Abrindo e Fechando um Arquivo Função fopen() Streams de Texto e Binários Modos de Abertura Fechando um Arquivo Ocorrências de Erros Buffering e a Função fflush() Streams Padrão Leitura e Escrita Formatadas Saída Formatada Funções fprintf() e sprintf() Entrada Formatada e fscanf() Trabalhando com Arquivos Temporários Removendo e Rebatizando Arquivos A Função ungetc() Tipos de Processamento Processamento Sequencial 107 Por Byte 107 Por Linha 107 Por Bloco 109 Algoritmo Geral para Leitura Sequencial de Arquivos Processamento por Acesso Direto 111 Movimentação do Indicador de Posição 111 Leitura e Escrita Inserção, Remoção e Alteração de Registros rewind() ou fseek()? Condições de Exceção e a Lei de Murphy Lidando com Arquivos Grandes em C Portabilidade Índice de Registro e Índice de Byte Exemplos de Programação Saltando Linhas de um Arquivo de Texto Copiando Arquivos Atualizando Registros de um Arquivo de Texto Convertendo um Arquivo de Registros de Texto para Binário Exercícios de Revisão Arquivos de Texto e Binários (Seção 2.1) 126 Streams (Seção 2.2) 126 Abrindo e Fechando um Arquivo (Seção 2.3) 126 Ocorrências de Erros (Seção 2.4) 128 Buffering e a Função fflush() (Seção 2.5) 128 Streams Padrão (Seção 2.6) 128

4 xii Tabela de Conteúdo Leitura e Escrita Formatadas (Seção 2.7) 128 Trabalhando com Arquivos Temporários (Seção 2.8) 129 Removendo e Rebatizando Arquivos (Seção 2.9) 129 A Função ungetc() (Seção 2.10) 129 Tipos de Processamento (Seção 2.11) 129 rewind() ou fseek()? (Seção 2.12) 133 Condições de Exceção e a Lei de Murphy (Seção 2.13) 133 Lidando com Arquivos Grandes em C (Seção 2.14) 133 Exemplos de Programação (Seção 2.15) Exercícios de Programação Parte 2: Busca 3 Busca Linear em Memória Principal Definições Fundamentais Programas Clientes Busca Sequencial Simples Conceitos Implementação 145 Definições de Tipos 145 Criação e Destruição 146 Busca 146 Inserção 148 Remoção 149 Construção Análise Busca Sequencial com Movimentação Conceitos Implementação Usando Lista Encadeada 153 Busca Sequencial com Transposição 153 Busca Sequencial com Movimentação para Início Análise Busca Linear em Tabela Ordenada Busca Binária 159 Conceito 159 Implementação 160 A Função bsearch() Busca por Interpolação 161 Conceito 161 Implementação Análise Listas com Saltos Motivação e Conceito 166 Busca 167

5 Tabela de Conteúdo xiii Inserção 168 Remoção Implementação 170 Definições de Tipos 170 Iniciação 171 Busca 172 Inserção 172 Remoção Análise Resultados Experimentais Exemplos de Programação Busca de Fibonacci Busca com Chaves Secundárias Piso de Chave Busca de Intervalo Exercícios de Revisão 188 Definições Fundamentais (Seção 3.1) 188 Programas Clientes (Seção 3.2) 189 Busca Sequencial Simples (Seção 3.3) 189 Busca Sequencial com Movimentação (Seção 3.4) 190 Busca Linear em Tabela Ordenada (Seção 3.5) 190 Listas com Saltos (Seção 3.6) Exemplos de Programação (Seção 3.7) Exercícios de Programação Busca Hierárquica em Memória Principal Árvores Binárias de Busca Conceitos 196 Inserção 198 Busca 200 Remoção Implementação 203 Definições de Tipos 204 Iniciação 204 Busca 204 Inserção 204 Remoção Análise Rotações em Árvores Binárias de Busca Balanceamento de Árvores Binárias de Busca Árvores AVL Motivação e Conceito Inserção 218 Caso 1: Desbalanceamento Esquerda-esquerda 219

6 xiv Tabela de Conteúdo Caso 2: Desbalanceamento Esquerda-direita 220 Caso 3: Desbalanceamento Direita-direita 221 Caso 4: Desbalanceamento Direita-esquerda Remoção 225 Desbalanceamento esquerda-esquerda 225 Desbalanceamento esquerda-direita 225 Desbalanceamento direita-direita 226 Desbalanceamento direita-esquerda 226 Propagação de Desbalanceamento Causado por Remoção Implementação 228 Definições de Tipos 228 Busca 229 Inserção 229 Remoção Análise Árvores Binárias Afuniladas Conceitos Afunilamento 234 Caso 1: O Alvo É Filho da Raiz (Zig e Zag) 235 Caso 2: Configuração Homogênea (Zig-zig e Zag-zag) 235 Caso 3: Configuração Heterogênea (Zag-zig e Zig-zag) 236 Exemplos de Afunilamento 237 Afunilamentos Ascendente e Descendente Operações Básicas 242 Busca 242 Inserção 242 Remoção Implementação Descendente 245 Definições de Tipos 245 Afunilamento 245 Busca 247 Inserção 247 Remoção Análise Comparando Árvores Binárias de Busca Exemplos de Programação Menor e Maior Chaves numa Árvore de Busca Exibindo as Chaves de uma Árvore Binária Ordenadas Checando Árvores Binárias de Busca Checando Balanceamento AVL Exercícios de Revisão 257 Árvores Binárias de Busca (Seção 4.1) 257 Rotações em Árvores Binárias de Busca (Seção 4.2) 261 Balanceamento de Árvores Binárias de Busca (Seção 4.3) 262

7 Tabela de Conteúdo xv Árvores AVL (Seção 4.4) 262 Árvores Binárias Afuniladas (Seção 4.5) 266 Comparando Árvores Binárias de Busca (Seção 4.6) Exemplos de Programação (Seção 4.7) Exercícios de Programação Análise Amortizada Fundamentos Conceitos Comparação com Análise Assintótica de Caso Médio Métodos de Análise Amortizada Método de Agregado Método Contábil Método de Potencial Comparação de Métodos de Análise Amortizada Exemplos de Análise Amortizada 277 Análise pelo Método de Agregado 277 Análise pelo Método Contábil 278 Análise pelo Método de Potencial Análise Amortizada de Array Dinâmico Usando Método de Agregado Usando Método Contábil Usando Método de Potencial Efeito do Crescimento Geométrico Análise Amortizada de Árvores Afuniladas Exercícios de Revisão 287 Fundamentos (Seção 5.1) 287 Métodos de Análise Amortizada (Seção 5.2) 287 Análise Amortizada de Array Dinâmico (Seção 5.3) 288 Análise Amortizada de Árvores Afuniladas (Seção 5.4) Busca Hierárquica em Memória Secundária Árvores Multidirecionais Descendentes de Busca Conceitos Busca Inserção Remoção Implementação em Memória Principal Análise Estruturas de Dados em Memória Secundária Árvores Multidirecionais em Memória Secundária Dimensionamento de Grau e Preenchimento de Estruturas Tratamento de Exceções Leitura e Escrita de Nós 303

8 xvi Tabela de Conteúdo Busca Inserção Remoção Árvores B Conceitos Busca Inserção Remoção Implementação 322 Tipos e Constantes 322 Funções Auxiliares 322 Busca 326 Inserção 327 Remoção Persistência de Dados Programa-cliente Análise Árvores B Conceitos Busca Inserção Remoção Busca de Intervalo Implementação Análise Outras Variantes de Árvores B Comparação de Árvores Multidirecionais de Busca Exemplos de Programação Caminhamento em Árvore Multidirecional de Busca Menor e Maior Chaves de uma Árvore Multidirecional de Busca Número de Nós de uma Árvore B Número de Chaves de uma Árvore B Altura de uma Árvore B Busca de Intervalo em Árvore B Exercícios de Revisão 355 Árvores Multidirecionais Descendentes de Busca (Seção 6.1) 355 Estruturas de Dados em Memória Secundária (Seção 6.2) 356 Árvores Multidirecionais de Busca em Memória Secundária (Seção 6.3) 356 Árvores B (Seção 6.4) 357 Árvores B+ (Seção 6.5) 359 Outras Variantes de Árvores B (Seção 6.6) 360 Comparação de Árvores Multidirecionais de Busca (Seção 6.7) 360 Exemplos de Programação (Seção 6.8) Exercícios de Programação 361

9 Tabela de Conteúdo xvii 7 Dispersão em Memória Principal Conceitos, Terminologia e Aplicações Funções e Tabelas de Dispersão Colisões e Resoluções de Colisões Fator de Carga Aplicações de Dispersão Funções de Dispersão Propriedades Desejáveis 367 Simplicidade 368 Eficiência 368 Uniformidade 368 Determinismo 368 Independência 368 Avalanche Tipos de Chaves 369 Chaves Inteiras 369 Chaves Reais 369 Strings 369 Chaves Compostas Métodos de Cálculo de Dispersão 370 Método Aditivo 370 Método Polinomial 370 Método Tabular 370 Método de Divisão Modular 370 Método de Multiplicação 371 Método de Disjunção Exclusiva (XOR) 371 Método Rotativo 372 Método de Dispersão por Mistura Anatomia de uma Função de Dispersão Bem Elaborada Testando uma Função de Dispersão Recomendações Práticas Dispersão com Encadeamento Conceitos 375 Fator de Carga 375 Busca 376 Inserção 376 Remoção Implementação 377 Definições de Tipos 377 Iniciação da Tabela 377 Busca 378 Inserção 378 Remoção 379

10 xviii Tabela de Conteúdo Análise Dispersão com Endereçamento Aberto Conceitos Resolução de Colisões (Sondagens) 381 Sondagem Linear 381 Sondagem Quadrática 383 Sondagem com Dispersão Dupla Operações Básicas 385 Busca 385 Inserção 385 Remoção Implementação 386 Definições de Tipos 386 Iniciação da Tabela 387 Busca 387 Inserção 388 Remoção Análise 389 Custos Temporais em Sondagem Linear 390 Custos Temporais em Sondagens Quadrática e com Dispersão Dupla 390 Custo Espacial 390 Comparando Métodos de Sondagem Redimensionamento de Dispersão Conceito Implementação Análise Dispersão Cuco Conceitos Operações Básicas 397 Busca 397 Inserção 397 Remoção Implementação 399 Tipos 399 Criação 399 Busca 400 Inserção 400 Remoção Análise Análise de Técnicas de Dispersão Exemplos de Programação Testando uma Função de Dispersão Pronta O Filtro de Bloom Exercícios de Revisão 414

11 Tabela de Conteúdo xix Conceitos, Terminologia e Aplicações (Seção 7.1) 414 Funções de Dispersão (Seção 7.2) 414 Dispersão com Encadeamento (Seção 7.3) 418 Dispersão com Endereçamento Aberto (Seção 7.4) 418 Redimensionamento de Dispersão (Seção 7.5) 421 Dispersão Cuco (Seção 7.6) 421 Análise de Técnicas de Dispersão (Seção 7.7) Exemplos de Programação (Seção 7.8) Exercícios de Programação Dispersão em Memória Secundária Dispersão Estática em Memória Secundária Motivação e Conceitos Operações Básicas 424 Inserção 424 Busca 425 Remoção Implementação 426 Definições de Tipos e Constantes 426 Funções Auxiliares 427 Iniciação 428 Busca 428 Inserção 429 Remoção Análise Dispersão Extensível em Memória Secundária Conceitos Inserção Busca Remoção Uso de Coletores Excedentes Implementação 441 Definições de Tipos e Constantes 441 Iniciação 441 Busca 442 Inserção 443 Remoção Análise 449 Vantagens 449 Desvantagens 449 Custo Espacial Avaliação de Dispersão em Memória Secundária Exemplos de Programação Número de Coletores Primários Vazios em Dispersão Estática 450

12 xx Tabela de Conteúdo Número de Coletores Excedentes em Dispersão Estática Maior Profundidade Local numa Tabela de Dispersão Extensível Exercícios de Revisão 452 Dispersão Estática em Memória Secundária (Seção 8.1) 452 Dispersão Extensível em Memória Secundária (Seção 8.2) 453 Avaliação de Dispersão em Memória Secundária (Seção 8.3) Exemplos de Programação (Seção 8.4) Exercícios de Programação Casamento de Strings e Tries Conceitos Terminologia Visualização Casamento de Strings com Retrocesso Casamento de Strings por Força Bruta (FB) Visão Geral Algoritmo Implementação Análise Algoritmo de Knuth, Morris e Pratt (KMP) Visão Geral Tabela de Maiores Bordas Algoritmos Implementação Análise Algoritmo de Boyer e Moore (BM) Visão Geral Heurística do Mau Caractere Heurística do Bom Sufixo Algoritmos Implementação Análise Algoritmo (ou Simplificação) de Horspool (BMH) Visão Geral Algoritmos Implementação Análise Algoritmo de Karp e Rabin (KR) Visão Geral Algoritmo Implementação Análise Comparando Algoritmos de Casamento de Strings Tries 492

13 Tabela de Conteúdo xxi Conceitos Busca Inserção Remoção Implementação Análise Implementações Alternativas de Tries Casamento de Strings vs Casamento de Palavras Exemplos de Programação Separando um String em Partes (Tokens) Quantas Vezes Machado Fala em Amor? Maior Prefixo Comum (MPC) a um Conjunto de Strings Maior Subsequência Comum (MSC) a Dois Strings Distância de Edição Casamento Léxico Casamento de Strings em Fluxo Contínuo Exercícios de Revisão Terminologia e Conceitos (Seção 9.1) 532 Casamento de Strings por Força Bruta (FB) (Seção 9.2) 532 Algoritmo de Knuth, Morris e Pratt (KMP) (Seção 9.3) 533 Algoritmo de Boyer e Moore (BM) (Seção 9.4) 533 Algoritmo (ou Simplificação) de Horspool (BMH) (Seção 9.5) 533 Algoritmo de Karp e Rabin (KR) (Seção 9.6) 534 Comparando Algoritmos de Casamento de Strings (Seção 9.7) 535 Tries (Seção 9.8) 535 Casamento de Strings vs Casamento de Palavras (Seção 9.9) 536 Exemplos de Programação (Seção 9.10) Exercícios de Programação Parte 3: Ordenação 10 Filas de Prioridade e Heaps Filas de Prioridade Conceitos Aplicações Implementações Heaps Binários Conceitos Inserção Remoção Criação Outras Operações 551 Consulta 551 Acréscimo de Prioridade 551

14 xxii Tabela de Conteúdo Decréscimo de Prioridade 551 Remoção de Elemento Específico Implementação Análise Análise de Filas de Prioridade Simulação de Eventos Discretos Exemplos de Programação Codificação Canônica de Huffman 559 Compressão 563 Descompressão A Lanchonete HeapBurger Exercícios de Revisão 580 Filas de Prioridade (Seção 10.1) 580 Heaps Binários (Seção 10.2) 581 Análise de Filas de Prioridade (Seção 10.3) 584 Simulação de Eventos Discretos (Seção 10.4) Exemplos de Programação (Seção 10.5) Exercícios de Programação Ordenação em Memória Principal Fundamentos de Ordenação Conceitos Básicos 588 Estabilidade 588 Uso de Espaço Adicional 589 Ordenações Interna e Externa 589 Algoritmos de Propósito Geral e Específico 590 Ordenações Baseadas em Comparações e Distribuições 590 Ordenação Adaptativa 590 Ordenações Online e Offline 590 Métodos de Ordenação 590 Estado de Ordenação e Inversões Aplicações de Ordenação Ordenação com Custo Temporal Quadrático Ordenação por Borbulhamento (BubbleSort) 592 Descrição 592 Implementação 593 Análise Ordenação por Seleção Direta (SelectionSort) 594 Descrição 594 Implementação 595 Análise Ordenação por Inserção (InsertionSort) 597 Descrição 597 Implementação 597

15 Tabela de Conteúdo xxiii Análise Ordenação com Custo Temporal Linear Logarítmico QuickSort 600 Descrição 600 Implementação Básica 603 Implementação com Mediana de Três e Ponto de Corte 604 Implementação com Pivô Aleatório 604 Análise Ordenação por Intercalação (MergeSort) 607 Descrição 607 Implementação 609 Ordenação de Listas Encadeadas com MergeSort 611 Análise Ordenação com Heap (HeapSort) 613 Descrição 613 Implementação 616 Análise Ordenação com Custo Temporal Linear Ordenação por Contagem (CountingSort) 619 Descrição 619 Implementação 620 Análise Ordenação com Coletores (BucketSort) 623 Descrição 623 Implementação 624 Análise Ordenação por Base (RadixSort) 626 Descrição 626 Implementação 627 Análise Limite Inferior de Algoritmos Baseados em Comparações Algoritmos de Divisão e Conquista Avaliações de Métodos de Ordenação Algoritmos com Custos Temporais Quadráticos Algoritmos com Custos Temporais Linear Logarítmicos Algoritmos com Custos Temporais Lineares Resumo da Avaliação Avaliação Experimental Exemplos de Programação Ordenação de Lista Simplesmente Encadeada Ordenação de Ponteiros O Problema da Bandeira Holandesa Encontrando Chaves Duplicadas Eficientemente Lista Bitônica 644

16 Exercícios de Revisão 645 Fundamentos de Ordenação (Seção 11.1) 645 Ordenação com Custo Temporal Quadrático (Seção 11.2) 646 Ordenação com Custo Temporal Linear Logarítmico (Seção 11.3) 647 Ordenação com Custo Temporal Linear (Seção 11.4) 650 Limite Inferior para Algoritmos Baseados em Comparações (Seção 11.5) 651 Algoritmos de Divisão e Conquista (Seção 11.6) 651 Avaliações de Métodos de Ordenação (Seção 11.7) 652 Exemplos de Programação (Seção 11.8) Exercícios de Programação Ordenação em Memória Secundária Conceitos Básicos Ordenação de Arquivos por Intercalação Binária Descrição Implementação Análise Intercalação Multíplice de Arrays Descrição do Problema Algoritmo Implementação Análise Ordenação de Arquivos por Intercalação Multíplice Descrição Exemplo Implementação Análise Limite Inferior para Ordenação em Memória Secundária Inserção Massiva em Árvores B+ (Bulkloading) Conceito Algoritmos Exemplo Implementação Análise Exemplos de Programação (Pseudo ) Ordenação de Arquivos por Indexação Testando Ordenação em Memória Secundária Exercícios de Revisão 695 Conceitos Básicos (Seção 12.1) 695 Ordenação de Arquivos por Intercalação Binária (Seção 12.2) 696 Intercalação Multíplice de Arrays (Seção 12.3) 696 Ordenação de Arquivos por Intercalação Multíplice (Seção 12.4) 696 Limite Inferior para Ordenação em Memória Secundária (Seção 12.5) 697 Inserção Massiva em Árvores B+ (Bulkloading) (Seção 12.6) 697 Exemplos de Programação (Seção 12.7) 698

17 12.9 Exercícios de Programação Apêndices A Arquivos de Dados A.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.1 Tudor 702 A.2 CEPs 702 A.3 Censo Escolar 704 A.4 Machado 705 A.5 DNA 705 B Programação Básica de Baixo Nível em C B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9 B.9.1 B.1 Bases Numéricas 707 B.2 Operadores Lógicos de Bits 708 B.3 Operadores de Deslocamento de Bits 709 B.4 Mascaramento 709 B.5 Extraindo Bits Significativos 711 B.5.1 Bits Menos Significativos (LSBs) 711 B.5.2 Bits Mais Significativos (MSB) 712 B.6 Ligando e Desligando Bits 713 B.7 Invertendo um Bit 714 B.8 Consultando um Bit 714 B.9 Exemplos de Programação 715 B.9.1 Representação Binária 715 C.1 B.9.2 Dispersão por Mistura 716 B.10 JOAAT (One-at-a-Time) 721 C Funções de Dispersão Prontas C.2 C.3 C.4 C.5 C.6 C.1 DJB e DJB2 722 C.2 SAX (Shift Add Xor) 723 C.3 FNV 723 C.4 JSW 723 C.5 Breve Avaliação das Funções de Dispersão Prontas 724 D Guia de Nomenclatura Usada em Identificadores D.1 D.1 Regras Básicas de Escrita de Identificadores 727 D.1.1 Variáveis e Parâmetros Formais 727 D.1.2 Macros e Constantes de Enumeração 728 D.1.3 Nomes de Funções 728 D.1.4 Tipos 728 D.2 D.1.5 Rótulos de Estruturas 728 D.2 Glossário de Sufixos de Identificadores 728 E Respostas e Sugestões para os Exercícios de Revisão Capítulo 1 Organização de Memória Capítulo

18 Capítulo 2 Processamento de Arquivos em C Capítulo Capítulo 3 Busca Linear em Memória Principal Capítulo Capítulo 4 Busca Hierárquica em Memória PrincipalCapítulo Capítulo 5 Análise Amortizada Capítulo Capítulo 6 Busca Hierárquica em Memória Secundária Capítulo Capítulo 7 Dispersão em Memória Principal Capítulo Capítulo 8 Dispersão em Memória Secundária Capítulo Capítulo 9 Strings e TextoCapítulo Capítulo 10 Filas de Prioridade e HeapsCapítulo Capítulo 11 Ordenação em Memória Principal Capítulo Capítulo 12 Ordenação em Memória Secundária Capítulo Referências Bibliografia Índice Remissivo...805