DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA INFORMÁTICA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA
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- Carlos Eduardo Aires Borba
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1 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA INFORMÁTICA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA Sistemas Operativos 2003/2004 Trabalho Prático #2 -- Programação em C com ponteiros --
2 Objectivos Familiarização com o ambiente de desenvolvimento utilizado nas aulas (Unix) Prática de programação em C usando ponteiros Temporização Na página web da cadeira. Material a ler antes da aula The C Programming Language, 2 nd Edition (Ansi C), especialmente a parte referente a ponteiros. PCU (Programming in C and Unix) o Pointers o Dynamic Memory Allocation and Dynamic Structures o Advanced Pointer Topics Apontamentos sobre Makefiles Nota: Os alunos que não possuam conhecimentos de programação em C deverão colmatar essa falha. É indispensável a leitura de um livro de C que cubra não só programação básica em C, como ponteiros e as principais funções standard do C (matemáticas, manipulação de strings e ficheiros). Recomenda-se vivamente o livro: The C Programming Language by Brian W. Kernighan, Dennis M. Ritchie Paperback pages 2nd edition (June 1988) Prentice Hall; ISBN:
3 Trabalho #2 Programação em C com ponteiros Uma estrutura de dados muito utilizada é a hash table. Este tipo de estrutura permite armazenar e recuperar de forma eficiente dados utilizando uma certa chave. Neste trabalho vamos estudar uma implementação particular chamada tabela de hashing estática, com pesquisa linear 1. No nosso caso, a chave irá ser uma cadeia de caracteres e os dados armazenados valores. O funcionamento da tabela é ilustrado na figura seguinte. Imaginemos que queremos armazenar a palavra Carlos, tendo o número 19 (idade) associado. O algoritmo começa por gerar uma assinatura (ou hash) para Carlos (neste caso ). Em seguida obtém o resto da divisão desse número pelo tamanho da tabela, resultado em 12. É na entrada 12 da tabela que a estrutura { Carlos, 19} será armazenada. Em cada entrada da tabela, existe uma lista ligada contendo estruturas com a mesma assinatura. Caso o elemento não esteja presente, o mesmo é adicionado a essa lista ligada. Caso contrário, o elemento é actualizado com o novo valor. Quando se quer obter um elemento da tabela, é dada a chave (por exemplo, Carlos ). Calcula-se a assinatura, que no caso de Carlos é e obtém-se o resto de divisão pelo tamanho da tabela, o que resulta em 12. Pode-se então pesquisar os elementos que se encontram na entrada 12, descobrindo se o elemento Carlos está ou não presente, e o valor que se lhe encontra associado (i.e. a idade 19 ). Se a hash table foi criada de inicio com um tamanho suficientemente razoável para armazenar o número de elementos que se pretende, tipicamente cada entrada apenas conterá um ou dois elementos, sendo muito rápido introduzir e retirar elementos da mesma. Este tipo de estrutura de dados é muito útil e muito utilizada em aplicações da vida real, sendo extremamente importante. No caso da chave ser uma cadeia de caracteres, normalmente é utilizado o seguinte algoritmo para calcular a assinatura: hash(s) = s[0]. 31 n-1 + s[1]. 31 n s[n-1] em que s[i] representa o caracter i da string s, e n o tamanho da mesma. Repare que para implementar este algoritmo não é necessário fazer a potenciação explicitamente. Basta haver um ciclo for que sucessivamente multiplica o hashcode actual por 31 e lhe soma o carácter corrente: 1 Note que existem muitos tipos diferentes de hash tables, não sendo este o tipo mais comum. Tipicamente as hash tables são dinâmicas (a tabela cresce automaticamente de tamanho) e não utilizam listas ligadas. 3
4 int hashcode = 0; for (int i=0; i<strlen(s); i++) hashcode = hashcode*31 + s[i]; Finalmente, no final é necessário garantir que hashcode é um valor positivo a fim de que após o resto de divisão isso resulte numa entrada válida na tabela. Tal pode ser feito utilizando um if, mas é muito mais rápido colocar o bit mais significativo (de sinal) a 0: hashcode = hashcode & 0x7fffffff; O tamanho de uma hash table deve normalmente ser um número primo, afim que certas propriedades matemáticas desejáveis se mantenham. (Embora isso não seja crítico neste exemplo.) Trabalho Neste trabalho irá implementar uma biblioteca que permite aos programadores utilizarem hash tables nos seus programas. Em C, as bibliotecas são implementadas em ficheiros.c, estando a sua interface (o que o utilizador consegue ver) num ficheiro.h. A interface da biblioteca que irá implementar (hashtable.h) é a seguinte: /* Cria uma hashtable de um certo tamanho */ extern struct hashtable create_htable(int size); /* Apaga uma certa hashtable */ extern void delete_htable(struct hashtable table); /* Coloca um elemento na hashtable (value), utilizando uma certa chave */ extern void put_element(struct hashtable table, const char* key, int value); /* Obtem um elemento da hashtable, caso esteja presente, colocando-o no local indicado por <return_value>. Retorna FOUND caso esteja presente e NOT_FOUND caso contrario */ extern int get_element(struct hashtable table, const char* key, int* return_value); /* Apaga um elemento da hashtable caso esteja presente */ extern void delete_element(struct hashtable table, const char* key); Na página da cadeira, encontrará o ficheiro hashtable.h que contém esta interface assim como as definições das estruturas hashtable (a tabela em si), element (um elemento armazenado na lista ligada de um nodo; ver figura da página anterior) e node (um nodo de uma lista ligada, possuindo um element e um ponteiro para o próximo nodo). A hash table deverá permitir introduzir, pesquisar e apagar elementos na mesma. Os elementos a armazenar irão ser estruturas cuja chave é uma cadeia de caracteres e o conteúdo um simples valor inteiro: struct element { char key[buf_size]; /* A chave */ int value; /* O valor */ }; BUF_SIZE é uma constante que representa o tamanho máximo da chave (e.g. 80 caracteres). A hash table em si, é simplesmente um ponteiro para o tipo node, sendo reservado em tempo de execução, utilizando a função malloc(), quando é chamada a função create_htable(). 4
5 struct hashtable { int size; /* Tamanho da tabela */ struct node* table; /* Ponteiro para uma memoria de nodos */ }; Embora aparentemente seja um ponteiro, durante a execução, este ponteiro é acedido como um array (ou seja, acedido como mytable.table[0], mytable.table[1], etc.). Não deverá utilizar directamente o primeiro nodo de cada slot para armazenar um elemento. O primeiro nodo funciona apenas como sentinela contendo um ponteiro para a lista ligada desse slot. Isso permite simplificar os algoritmos a implementar. Um nodo é uma estrutura muito simples, contendo um elemento e um ponteiro para o próximo nodo: struct node { struct element e; /* O elemento */ struct node* next; /* Próximo nodo */ }; Na página da cadeira encontrará ainda os ficheiros hashtable.c, contendo a implementação de algumas das funções da biblioteca, trab02.c, que cria e coloca alguns elementos numa hash table e Makefile, que permite compilar o projecto. Para compilar, basta fazer make. O seu trabalho é completar e implementar esta biblioteca. O ficheiro trab02.c contém alguns testes sobre o funcionamento da hash table. Esses testes mostra-lhe o tipo de abordagem que deverá seguir ao testar o seu programa. No entanto, para começar, deverá simplificar os testes existente em trab02.c, colocando apenas uma pessoa na tabela e verificando a sua presença. No entanto, no final do trabalho, deverá também incluir testes sobre o apagar de elementos da tabela. Trabalho para casa Implemente um programa que, utilizando a hash table criada durante a aula, conte o número de palavras distintas que existem num ficheiro de texto. O seu programa deverá ler um ficheiro indicado na linha de comandos e linha-a-linha verificar as palavras que existem, actualizando a sua contagem na tabela. No final deverá mostrar as palavras existentes ordenadas por frequência 2. O tamanho da tabela pode ser aproximadamente estimado através do tamanho do ficheiro. Assuma que as palavras em média ocupam 10 bytes e que para ficheiros grandes 30% das palavras são únicas. (Utilize a função fseek() e ftell() para ir para o final do ficheiro e descobrir o seu tamanho). Questões 1. Experimente correr este programa com ficheiros de texto grandes. Quão boa é a estimativa para o número de palavras únicas que está a utilizar? Experimente também com ficheiros pequenos. Ajuste a estimativa para melhor se adaptar à realidade. 2. Estime a memória que o seu programa necessita enquanto é corrido (pretende-se um cálculo aproximado). Justifique os cálculos que efectuou. 2 Note que isto implica criar mais uma função que percorre a hash table como um todo. 5
6 3. Acha que uma hash table é uma estrutura de dados adequada para resolver este problema? Justifique. Caso ache que a resposta é não, diga de que forma implementaria este programa (lembre-se no entanto que deverá ser eficiente). 6
Possui como idéia central a divisão de um universo de dados a ser organizado em subconjuntos mais gerenciáveis.
3. Tabelas de Hash As tabelas de hash são um tipo de estruturação para o armazenamento de informação, de uma forma extremamente simples, fácil de se implementar e intuitiva de se organizar grandes quantidades
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