3. Spájané zoznamy


Predchádzajúca prednáška sa venovala spájanej dátovej štruktúre, v ktorej mal každý prvok svojho nasledovníka (okrem posledného). Takejto štruktúre sme hovorili spájaný zoznam (linked list).

Zhrňme z minulej prednášky najdôležitejšie funkcie, ktoré pracujú so spájanými zoznamami. Používali sme túto deklaráciu triedy Vrchol:

class Vrchol:
    def __init__(self, data, next=None):
        self.data, self.next = data, next

Pre spájané zoznamy, ktoré sú poskladané z takýchto vrcholov Vrchol sme definovali niekoľko funkcií:

def vypis(zoz):                         # vypíše prvky zoznamu
    while zoz is not None:
        print(repr(zoz.data), end=' -> ')
        zoz = zoz.next
    print(None)

def vyrob(postupnost):                  # z prvkov danej postupnosti vytvorí nový zoznam
    zoz = None
    for hodnota in reversed(postupnost):
        zoz = Vrchol(hodnota, zoz)
    return zoz

def pocet(zoz):                         # zistí počet prvkov zoznamu
    vysl = 0
    while zoz is not None:
        vysl += 1
        zoz = zoz.next
    return vysl

def zisti(zoz, hodnota):                # zistí, či je prvok v zozname
    while zoz is not None:
        if zoz.data == hodnota:
            return True
        zoz = zoz.next
    return False

def pridaj_zaciatok(zoz, hodnota):      # pridaj prvok na začiatok zoznamu
    return Vrchol(hodnota, zoz)

def pridaj_koniec(zoz, hodnota):        # pridaj prvok na koniec zoznamu
    if zoz is None:
        return Vrchol(hodnota)
    posledny = zoz
    while posledny.next is not None:
        posledny = posledny.next
    posledny.next = Vrchol(hodnota)
    return zoz

Tieto funkcie môžeme ešte otestovať:

>>> zoz = None
>>> zoz = pridaj_zaciatok(zoz, 7)
>>> zoz = pridaj_koniec(zoz, 'abc')
>>> zoz = pridaj_zaciatok(zoz, (1, 2))
>>> vypis(zoz)
    (1, 2) -> 7 -> 'abc' -> None
>>> pocet(zoz)
    3
>>> zisti(zoz, 'abc')
    True

V podobnom duchu boli aj ďalšie funkcie, ktoré ste programovali na cvičeniach.

Keď sa vytvára nejaká nová dátová štruktúra, veľmi často sa všetky funkcie zapuzdria do jedného celku - do jednej triedy, pričom sa skryjú realizačné detaily a aj nejaké pomocné funkcie a atribúty (hovoríme tomu enkapsulácia).


Trieda spájaný zoznam


Navrhneme novú triedu SpajanyZoznam (v anglickej verzii by sme ju nazvali LinkedList), pre ktorú zadefinujeme najdôležitejšie metódy. Všimnite si, že definíciu pomocnej triedy Vrchol sme vnorili do triedy SpajanyZoznam. Tým, že sme definíciu tejto triedy vnorili, oznamujeme, že patrí do triedy SpajanyZoznam a zrejme sa bude využívať v metódach tejto triedy. Všetky funkcie, ktoré pracovali so spájaným zoznamom, mali prvý parameter referenciu na prvý prvok zoznamu. Teraz tento parameter zastúpi atribút self.zac, teda začiatok zoznamu. Už vieme, že si bude treba dať pozor, aby sme túto referenciu nepokazili:

class SpajanyZoznam:

    #----- vnorená trieda -----
    class Vrchol:
        def __init__(self, data, next=None):
            self.data, self.next = data, next

    #----- koniec vnorenej definície triedy -----

    def __init__(self):
        self.zac = None                   # začiatok zoznamu

    def vypis(self):                      # vypíše prvky zoznamu
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            print(repr(zoz.data), end=' -> ')
            zoz = zoz.next
        print(None)

    def vyrob(self, postupnost):          # z prvkov danej postupnosti vytvorí nový zoznam
        self.zac = None
        for hodnota in reversed(postupnost):
            self.zac = self.Vrchol(hodnota, self.zac)

    def pocet(self):                      # zistí počet prvkov zoznamu
        vysl = 0
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            vysl += 1
            zoz = zoz.next
        return vysl

    def zisti(self, hodnota):             # zistí, či je prvok v zozname
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            if zoz.data == hodnota:
                return True
            zoz = zoz.next
        return False

    def pridaj_zaciatok(self, hodnota):   # pridaj prvok na začiatok zoznamu
        self.zac = self.Vrchol(hodnota, self.zac)

    def pridaj_koniec(self, hodnota):     # pridaj prvok na koniec zoznamu
        if self.zac is None:
            self.zac = self.Vrchol(hodnota)
        else:
            posledny = self.zac
            while posledny.next is not None:
                posledny = posledny.next
            posledny.next = self.Vrchol(hodnota)

Skôr, ako to budeme testovať, všimnite si, že metódy pridaj_zaciatok(), pridaj_koniec(), ale aj vyrob už nie sú také funkcie, ktoré vždy vracali novú referenciu na začiatok zoznamu - teraz túto referenciu už nepotrebujeme ako výsledok funkcie. Samotné metódy zmenia referenciu na začiatok v atribúte self.zac. Tiež vidíte použitie vnorenej triedy Vrchol: aby sme mohli vytvoriť nový vrchol, musíme zapísať self.Vrchol(hodnota). Zapíšme nejaký jednoduchý test, aby sme si zvykli na prácu s touto dátovou štruktúrou:

>>> zoz = SpajanyZoznam()
>>> zoz.pridaj_zaciatok(7)
>>> zoz.pridaj_koniec('abc')
>>> zoz.pridaj_zaciatok((1, 2))
>>> zoz.vypis()
    (1, 2) -> 7 -> 'abc' -> None
>>> zoz.pocet()
    3
>>> zoz.zisti('abc')
    True

Funguje to podľa očakávania dobre. Len by to mohlo byť viac pythonovské (pythonic):

  • namiesto metódy vyrob(), ktorá zruší momentálny obsah zoznamu a vyrobí nový (inicializuje) z nejakej postupnosti hodnôt, presunieme túto inicializáciu do __init__, teraz bude fungovať zoz = SpajanyZoznam(post)

  • namiesto metódy vypis() by mohlo byť radšej __repr__() alebo __str__() a teda by mohlo fungovať, napríklad print(zoz)

  • namiesto pocet() by mohlo byť radšej __len__() a teda by vďaka tomu fungovalo nielen zoz.__len__() ale aj len(zoz)

  • namiesto pridaj_koniec() by mohlo byť radšej append(), aby sa to podobalo pythonovskému pridávaniu na koniec pythonovského zoznamu

  • namiesto zisti() by mohlo byť radšej __contains__() a teda by fungovalo hodnota in zoz

Budeme sa snažiť aj ďalšie metódy zapisovať tak, aby sa so spájaným zoznamom pracovalo podobne ako s inými dátovými typmi. Prepíšme triedu SpajanyZoznam:

class SpajanyZoznam:
    class Vrchol:
        def __init__(self, data, next=None):
            self.data, self.next = data, next

    def __init__(self, postupnost=None):
        self.zac = None                   # začiatok zoznamu
        if postupnost is not None:
            for hodnota in reversed(postupnost):
                self.insert0(hodnota)

    def __repr__(self):
        vysl, zoz = [], self.zac
        while zoz is not None:
            vysl.append(repr(zoz.data))
            zoz = zoz.next
        vysl.append('None')
        return ' -> '.join(vysl)

    def __len__(self):
        vysl, zoz = 0, self.zac
        while zoz is not None:
            vysl += 1
            zoz = zoz.next
        return vysl

    def __contains__(self, hodnota):
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            if zoz.data == hodnota:
                return True
            zoz = zoz.next
        return False

    def insert0(self, hodnota):
        self.zac = self.Vrchol(hodnota, self.zac)

    def append(self, hodnota):
        if self.zac is None:
            self.zac = self.Vrchol(hodnota)
        else:
            posledny = self.zac
            while posledny.next is not None:
                posledny = posledny.next
            posledny.next = self.Vrchol(hodnota)

Pristavme sa na dvoch posledných metódach:

  • metóda insert0(), ktorá pridáva nový prvok na začiatok zoznamu (podobná list.insert(0, hodnota)), je veľmi rýchla, lebo obsahuje len jedno priradenie a bude trvať rovnaký čas bez ohľadu na to, či je doterajší zoznam krátky alebo obsahuje už veľa prvkov

  • metóda append(), ktorá pridáva nový prvok na koniec zoznamu, je v niektorých prípadoch veľmi pomalá: ak už doterajší zoznam obsahuje obrovské množstvo prvkov (napríklad 100000), pridať nový prvok na koniec bude trvať už nejaký nezanedbateľný čas (napríklad, 0.01 sekundy); keď takéto pridávanie urobíme 1000 krát, už to môžu byť desiatky sekúnd.

Všimnite si, že v tejto metóde môže takto výrazne zdržovať len vnútorný while-cyklus. Ak by sme sa ho dokázali zbaviť, aj metóda append() by mohla byť dostatočne rýchla. Tento cyklus nerobí nič iné, len hľadá momentálne posledný vrchol v zozname. Ak by sme ale okrem referencie na začiatok zoznamu zabezpečili pamätanie aj referencie na posledný vrchol, všetko by sa vyriešilo.

Do triedy SpajanyZoznam k atribútu zac pridáme ďalší: kon, v ktorom si budeme ukladať referenciu na posledný vrchol zoznamu. Počiatočnú hodnotu (None) mu priradíme v inicializácii __init__(). Ďalej vo všetkých metódach, ktoré nejako modifikujú samotný spájaný zoznam, zabezpečíme, aby sa správne nastavila aj táto koncová referencia. V našom programe sa okrem inicializácie a metódy append() musí opraviť aj metóda insert0():

class SpajanyZoznam:
    class Vrchol:
        def __init__(self, data, next=None):
            self.data, self.next = data, next

    def __init__(self, postupnost=None):
        self.zac = self.kon = None                   # začiatok a koniec zoznamu
        if postupnost is not None:
            for hodnota in postupnost:
                self.append(hodnota)

    ...

    def insert0(self, hodnota):
        self.zac = self.Vrchol(hodnota, self.zac)
        if self.kon is None:
            self.kon = self.zac

    def append(self, hodnota):
        if self.zac is None:
            self.kon = self.zac = self.Vrchol(hodnota)
        else:
            self.kon.next = self.Vrchol(hodnota)
            self.kon = self.kon.next

V tejto novej verzii v metóde append() už nie je žiaden cyklus a obsahuje len jeden test a niekoľko priradení. Môžete otestovať rýchlosť tejto metódy napríklad takto:

>>> zoz = SpajanyZoznam(range(100000))
>>> for i in range(100000):
        zoz.append(i)
>>> len(zoz)
    200000

Doplňme do tejto triedy SpajanyZoznam aj metódy pop0() a pop(), ktoré vyhodia 1. prvok, resp. posledný prvok zoznamu a vrátia príslušnú hodnotu vyhadzovaného prvku (podobne, ako to robia metódy list.pop(0) a list.pop()):

class SpajanyZoznam:
    ...

    def pop0(self):
        if self.zac is None:
            raise EmptyError
        vysl = self.zac.data
        self.zac = self.zac.next
        if self.zac is None:
            self.kon = None
        return vysl                   # hodnota vyhodeného prvku

    def pop(self):
        if self.zac is None:
            raise EmptyError
        if self.zac.next is None:     # jednoprvkový zoznam
            vysl = self.zac.data
            self.zac = self.kon = None
            return vysl
        self.kon = self.zac
        while self.kon.next.next is not None:
            self.kon = self.kon.next
        vysl = self.kon.next.data
        self.kon.next = None
        return vysl                   # hodnota vyhodeného prvku

Vidíme, že vyhodenie prvého prvku zoznamu (metóda pop0()) je veľmi jednoduché a rýchle (nezávisí od momentálnej veľkosti zoznamu). Metóda na vyhodenie posledného prvku je už náročnejšia a obsahuje while-cyklus na nájdenie predposledného vrcholu zoznamu. Preto je táto metóda veľmi pomalá a už nám tu nepomôže ani „finta“ s udržiavaním si referencie na posledný vrchol.

Otestujme:

>>> zoz = SpajanyZoznam(range(10000))
>>> for i in range(10000):
        x = zoz.pop()

Zhrňme základné metódy, ktoré pridávajú, resp. odoberajú prvok zo začiatku alebo konca zoznamu:

  • metóda insert0() vloží prvok na začiatok zoznamu - je veľmi rýchla

  • metóda append() vloží prvok na koniec zoznamu - je veľmi rýchla len vtedy, ak využíva pomocnú referenciu na koniec zoznamu (inak je pomalá)

  • metóda pop0() vyberie prvok zo začiatku zoznamu - je veľmi rýchla

  • metóda pop() vyberie prvok z konca zoznamu - je veľmi pomalá a pre jednosmerný spájaný zoznam neexistuje spôsob, ako to urýchliť

Keď sa budete niekedy rozhodovať, ako budete pracovať s nejakým spájaným zoznamom, spomeňte si na toto porovnanie rýchlostí a ak sa bude dať, snažte sa vyhnúť odoberaniu prvku z konca zoznamu.


Mapovacie metódy

Zapíšme metódu, ktorá postupne prejde všetky vrcholy spájaného zoznamu a každému zmení hodnotu podľa zadanej funkcie:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def mapuj(self, funkcia):
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            zoz.data = funkcia(zoz.data)
            zoz = zoz.next

Otestujeme:

>>> def fun(x): return x * x
>>> zoz = SpajanyZoznam(range(5))
>>> zoz
    0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> None
>>> zoz.mapuj(fun)
>>> zoz
    0 -> 1 -> 4 -> 9 -> 16 -> None

Funguje to aj s lambda konštrukciou, napríklad:

>>> zoz = SpajanyZoznam('Python')
>>> zoz
    'P' -> 'y' -> 't' -> 'h' -> 'o' -> 'n' -> None
>>> zoz.mapuj(lambda x: x.upper())
>>> zoz
    'P' -> 'Y' -> 'T' -> 'H' -> 'O' -> 'N' -> None

Parametrom funkcie môže byť aj nejaká podmienka, napríklad takáto verzia mapuj:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def mapuj(self, podmienka, funkcia):
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            if podmienka(zoz.data):
                zoz.data = funkcia(zoz.data)
            zoz = zoz.next

Napríklad:

>>> zoz = SpajanyZoznam(range(1, 20, 2))
>>> zoz
    1 -> 3 -> 5 -> 7 -> 9 -> 11 -> 13 -> 15 -> 17 -> 19 -> None
>>> zoz.mapuj(lambda x: x%3, lambda x: x*x)
>>> zoz
    1 -> 3 -> 25 -> 49 -> 9 -> 121 -> 169 -> 15 -> 289 -> 361 -> None

Ďalšia metóda vytvorí obyčajný pythonovský zoznam prvkov (typu list) z prvkov spájaného zoznamu, ktoré spĺňajú nejakú podmienku:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def tolist(self, podmienka=None):
        lst = []
        zoz = self.zac
        while zoz is not None:
            if podmienka is None or podmienka(zoz.data):
                lst.append(zoz.data)
            zoz = zoz.next
        return lst

Napríklad:

>>> zoz = SpajanyZoznam((1, 2, 'A', 4, 'B'))
>>> zoz.tolist(lambda x: isinstance(x, int))
    [1, 2, 4]
>>> zoz.tolist()
    [1, 2, 'A', 4, 'B']
>>> def podm(x): return type(x) == str
>>> zoz.tolist(podm)
    ['A', 'B']

Spájaný zoznam a for-cyklus

Už sme si zvykli, že prvky spájaného zoznamu môžeme prechádzať while cyklom, napríklad:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def sucet(self):
        zoz = self.zac
        vysl = 0
        while zoz is not None:
            vysl += zoz.data
            zoz = zoz.next
        return vysl

Žiaľ, prechádzať prvky spájaného zoznamu tak, ako to vie Python so zoznamom, n-ticou, množinou, atď. sa zatiaľ nedá. Ak by sme vyskúšali:

>>> zoz = SpajanyZoznam((2, 3, 5, 7, 11))
>>> for prvok in zoz:
        print(prvok)
    ...
    TypeError: 'SpajanyZoznam' object is not iterable

alebo

>>> for prvok in zoz.zac:
        print(prvok.data)
    ...
    TypeError: 'Vrchol' object is not iterable

Python vyhlási chybu TypeError, lebo nevie, akým spôsobom by mal postupne prechádzať (iterovať) všetky prvky spájaného zoznamu. Uvidíme neskôr, že Python to dokáže, ale bude potrebovať, aby sme mu niečo o našej štruktúre prezradili.


Rekurzia v metóde

Na predchádzajúcich cvičeniach ste zostavovali rekurzívnu funkciu (napríklad 15. úloha), ktorá zisťovala počet prvkov spájaného zoznamu. Vaše riešenie mohlo vyzerať, napríklad takto:

def pocet(zoz):
    if zoz is None:
        return 0
    return pocet(zoz.next) + 1

Ak by sme túto rekurziu chceli zapísať ako metódu triedy SpajanyZoznam (problémom je parameter zoz), môžeme to urobiť niekoľkými spôsobmi. Najlepšie to ale urobíme ako vnorenú rekurzívnu funkciu do príslušnej metódy:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def pocet(self):
        #----- vnorená funkcia
        def pocet_rek(zoz):
            if zoz is None:
                return 0
            return pocet_rek(zoz.next) + 1
        #----- koniec vnorenej funkcie

        return pocet_rek(self.zac)

Hoci táto rekurzívna funkcia nemá žiaden praktický význam (funguje len pre zoznamy kratšie ako 1000), ideu vnorených a hlavne rekurzívnych funkcií budeme neskôr používať veľmi často.


Realizácia zásobníka a radu

V prednáške 1. Zásobníky a rady sme sa zoznámili s dátovou štruktúrou zásobník. Využili sme ho hlavne pri spracovávaní aritmetických výrazov, ale aj ako mechanizmus, pomocou ktorého vieme nahradiť rekurziu zásobníkom.

Zásobník sme vtedy realizovali pomocou pythonovského zoznamu (typ list):

  • operácia push() pridávala nový prvok na koniec zoznamu pomocou metódy list.append()

  • operácia pop() odoberala zo zoznamu posledný prvok pomocou metódy list.pop()

  • operácia is_empty() zisťovala, či je zoznam prázdny

Zásobník sa dá veľmi elegantne realizovať aj pomocou spájaného zoznamu:

  • v tomto prípade bude vrch zásobníka na začiatku zoznamu

  • operácia push() pridá nový prvok na začiatok spájaného zoznamu

  • operácia pop() odoberie prvok zo začiatku spájaného zoznamu

  • operácia is_empty() zistí, či je spájaný zoznam prázdny

  • operácia top() vráti hodnotu prvého prvku spájaného zoznamu

  • opäť použijeme novú výnimku EmptyError

Zapíšme kompletný kód:

class EmptyError(Exception): pass

class Stack:
    class _Vrchol:                          # vnorená trieda
        def __init__(self, data, next):
            self.data, self.next = data, next

    def __init__(self):
        self._zac = None

    def push(self, hodnota):                # pridá na začiatok zoznamu
        self._zac = self._Vrchol(hodnota, self._zac)

    def pop(self):                          # odoberie zo začiatku zoznamu
        if self.is_empty():
            raise EmptyError
        vysl = self._zac.data
        self._zac = self._zac.next
        return vysl

    def top(self):                          # vráti hodnotu prvého prvku
        if self.is_empty():
            raise EmptyError
        return self._zac.data

    def is_empty(self):
        return self._zac is None

Vidíte, že táto trieda Stack je veľmi zjednodušená verzia triedy SpajanyZoznam. Mohli by sme ju použiť všade tam, kde sme doteraz pracovali so zásobníkom, ktorý bol realizovaný pomocou pythonovského zoznamu list.

Zamyslite sa nad tým, ako by fungoval zásobník, ktorého vrch by bol na konci spájaného zoznamu (pridávame aj odoberáme prvky z konca spájaného zoznamu). Bol by rovnako rýchly ako táto verzia s vrchom zásobníka na začiatku spájaného zoznamu?


Realizácia radu (frontu)

V prednáške 1. Zásobníky a rady sme sa zoznámili aj s ďalšou dátovou štruktúrou rad. Aj rad sme realizovali pomocou obyčajného zoznamu (typ list):

  • operácia enqueue() pridávala nový prvok na koniec zoznamu pomocou metódy list.append()

  • operácia dequeue() odoberala zo zoznamu prvý prvok pomocou metódy list.pop(0)

  • operácia is_empty() zisťovala, či je zoznam prázdny

Pri realizovaní radu pomocou spájaného zoznamu sa musíme zamyslieť nad tým, či:

  1. bude začiatok radu na začiatku spájaného zoznamu

    • pridávať budeme na koniec zoznamu a odoberať budeme zo začiatku

  2. bude začiatok radu na konci spájaného zoznamu

    • pridávať budeme na začiatok zoznamu a odoberať budeme z konca

My už vieme, že pridávanie, resp. odoberanie zo začiatku spájaného zoznamu sú rýchle operácie. Ale pridávanie na koniec je rýchle len s pomocnou referencie na koniec zoznamu a odoberanie z konca je vždy pomalé. Preto si zvolíme variant (a), pri ktorom vieme rýchlo pridávať na koniec a rýchlo odoberať zo začiatku zoznamu:

  • operácia enqueue() pridá nový prvok na koniec spájaného zoznamu (použije referenciu na posledný vrchol zoznamu)

  • operácia dequeue() odoberie prvok zo začiatku spájaného zoznamu

  • operácia is_empty() zistí, či je spájaný zoznam prázdny

  • operácia front() vráti hodnotu prvého prvku spájaného zoznamu

  • opäť použijeme výnimku EmptyError

Zapíšme kompletný kód:

class EmptyError(Exception): pass

class Queue:
    class _Vrchol:                          # vnorená trieda
        def __init__(self, data):
            self.data, self.next = data, None

    def __init__(self):
        self._zac = self._kon = None

    def enqueue(self, hodnota):             # pridá na koniec zoznamu
        novy = self._Vrchol(hodnota)
        if self._zac is None:
            self._zac = self._kon = novy
        else:
            self._kon.next = novy
            self._kon = novy

    def dequeue(self):                      # odoberie zo začiatku zoznamu
        if self.is_empty():
            raise EmptyError
        vysl = self._zac.data
        self._zac = self._zac.next
        if self._zac is None:
            self._kon = None
        return vysl

    def front(self):                        # vráti hodnotu prvého prvku
        if self.is_empty():
            raise EmptyError
        return self._zac.data

    def is_empty(self):
        return self._zac is None

Vidíte, že aj trieda Queue je veľmi zjednodušená verzia triedy SpajanyZoznam.


Operátory indexovania

Pre pythonovský obyčajný zoznam (typ list) sú veľmi typické operácie indexovania, t.j. keď vieme zistiť hodnotu nejakého prvku podľa jeho indexu (pozície v zozname), resp. keď vieme zmeniť hodnotu prvku zadaného indexom. Zapíšme tieto dve operácie ako metódy triedy SpajanyZoznam:

class SpajanyZoznam:
    ...

    def _ity(self, index):                      # zistí referenciu i-teho prvku
        if index < 0:
            raise IndexError
        zoz = self.zac
        while zoz is not None and index > 0:
            zoz = zoz.next
            index -= 1
        if zoz is None:
            raise IndexError
        return zoz

    def daj_ity(self, index):                   # vráti hodnotu i-teho prvku
        return self._ity(index).data

    def zmen_ity(self, index, hodnota):         # zmení hodnotu i-teho prvku
        self._ity(index).data = hodnota

Vytvorili sme pomocnú (súkromnú) metódu _ity(), ktorá vráti referenciu na príslušný vrchol (alebo spadne na chybe IndexError). Opäť tu prvý znak mena _ označuje, že je to pomocná metóda, ktorú by sme radšej nemali používať mimo metód samotnej triedy.

Budeme to testovať takto - najprv si ukážme zápis pomocou obyčajného zoznamu list:

 >>> lst = list(range(1, 20, 2))
 >>> for i in range(len(lst)):
         lst[i] = lst[i] ** 2
 >>> lst
     [1, 9, 25, 49, 81, 121, 169, 225, 289, 361]

a prepíšeme to pre spájaný zoznam:

>>> zoz = SpajanyZoznam(range(1, 20, 2))
>>> for i in range(len(zoz)):
        x = zoz.daj_ity(i)
        zoz.zmen_ity(i, x ** 2)     # zoz.zmen_ity(i, zoz.daj_ity(i) ** 2)
>>> zoz
    1 -> 9 -> 25 -> 49 -> 81 -> 121 -> 169 -> 225 -> 289 -> 361 -> None

Vidíme, že v oboch prípadoch dostávame rovnakú postupnosť čísel, len zápis lst[i] = lst[i] ** 2 je výrazne lepšie čitateľný ako zoz.zmen_ity(i, zoz.daj_ity(i) ** 2).

Hodilo by sa nám, keby sme

  • namiesto volania zoz.daj_ity(i) mohli zapísať zoz[i] a Python by to pochopil ako vyhľadanie i-teho prvku zoznamu a vrátil by príslušnú hodnotu

  • namiesto volania zoz.zmen_ity(i, hodnota) mohli zapísať zoz[i] = hodnota a Python by to pochopil ako vyhľadanie i-teho prvku zoznamu a potom aj zmenu jeho hodnoty

Naozaj toto v Pythone funguje. Rovnako ako sme prekryli, teda preťažili (overload) operácie súčtu pomocou magickej metódy __add__(), ako sme preťažili operáciu in pomocou __contains__(), atď. môžeme preťažiť aj operácie indexovania. Funguje to takto:

  • keď v Pythone zapíšeme napríklad lst[i], toto sa Pythonom prepíše na magické volanie lst.__getitem__(i) a až táto magická metóda vykoná výber hodnoty

  • keď v Pythone zapíšeme napríklad lst[i] = hodnota, toto sa prepíše na magické volanie lst.__setitem__(i, hodnota) a až táto magická metóda vykoná zmenu hodnoty

  • keď v Pythone zapíšeme napríklad del lst[i], toto sa prepíše na magické volanie lst.__delitem__(i) a až táto magická metóda vykoná zrušenie hodnoty

Môžete to otestovať na pythonovskom zozname list:

>>> lst = list(range(1, 20, 2))
>>> for i in range(len(lst)):
        lst.__setitem__(i, lst.__getitem__(i) ** 2)

Tomuto v programovacích jazykoch hovoríme syntaktický cukor a slúži len na uľahčenie zápisu a čitateľnosť kódu. Už sme sa s tým stretli pri aritmetických operáciách, keď a+b často označuje a.__add__(b).

Takže prepíšme naše dve metódy daj_ity() a zmen_ity() na magické __getitem__() a __setitem__():

class SpajanyZoznam:
    ...

    def _ity(self, index):                        # pomocná metóda
        if index < 0:
            raise IndexError
        zoz = self.zac
        while zoz is not None and index > 0:
            zoz = zoz.next
            index -= 1
        if zoz is None:
            raise IndexError
        return zoz

    def __getitem__(self, index):                 # vráti hodnotu i-teho prvku
        return self._ity(index).data

    def __setitem__(self, index, hodnota):        # zmení hodnotu i-teho prvku
        self._ity(index).data = hodnota

Samozrejme, že môžeme programy písať aj bez „syntaktického cukru“:

>>> zoz.__setitem__(i, zoz.__getitem__(i) ** 2)

ale určite čitateľnejšie to bude „osladené“:

>>> zoz[i] = zoz[i] ** 2

Treba si ale pri tomto zápise uvedomiť, že pre dlhé spájané zoznamy a pre veľký index toto nevinne vyzerajúce priradenie dvakrát prelieza spájaný zoznam, aby našiel (a zmenil) i-ty prvok. Už by sme si mohli pamätať, že napríklad hľadanie posledného prvku v zozname môže naozaj trvať veľmi dlho.


Spájaný zoznam a for-cyklus

Python je pre programátora veľmi ústretový a snaží sa mu čo najviac vychádzať v ústrety. Keď zadefinujeme magickú metódu __getitem__(), Python z vlastnej iniciatívy „pochopí“, že takáto štruktúra by sa mohla dať prechádzať aj for-cyklom (iterovať). Veď zrejme mu stačí postupne indexovať s indexom 0, potom 1, potom 2, atď. až kým to nespadne na chybe a vtedy ukončí aj for-cyklus (bez chybovej správy). Otestujme:

>>> zoz = SpajanyZoznam(x**2 for x in range(1, 20, 2))
>>> for prvok in zoz:
        print(prvok, end=' -> ')
    1 -> 9 -> 25 -> 49 -> 81 -> 121 -> 169 -> 225 -> 289 -> 361 ->

Teda to naozaj urobí presne to, čo sme očakávali. Ale pozor! Tento for-cyklus pre každý prvok zoznamu prelieza celý zoznam vždy od začiatku. Pre krátke zoznamy to asi vadiť nebude, ale pre dlhé to bude neprijateľne pomalé!

Na rovnakom princípe potom funguje aj rozbaľovací parameter, napríklad:

>>> print(*zoz)
    1 9 25 49 81 121 169 225 289 361

A vy už teraz viete, že tento „syntaktický cukor“ za sebou skrýva veľmi neefektívny kód.


Dvojsmerný a cyklický spájaný zoznam

Zatiaľ sme sa zoznámili s tzv. jednosmerným spájaným zoznamom (Singly Linked List). Slovo „jednosmerný“ tu označuje, že v každom vrchole sa uchováva jedna referencia na nasledovný vrchol. Vďaka tejto vlastnosti, vždy keď potrebujeme zistiť predchodcu nejakého vrcholu (napríklad predchodcu posledného), musíme prejsť zoznam od začiatku až po hľadaný vrchol. O tomto už vieme, že je to drahá operácia.

V situáciách, keď budeme často potrebovať pre nejaké vrcholy zisťovať ich predchodcov, využijeme alternatívnu organizáciu spájaných zoznamov, tzv. dvojsmerné spájané zoznamy (Doubly Linked List). Každý vrchol v takomto zozname si okrem referencie na nasledovníka uchováva aj referenciu na svojho predchodcu. A zrejme prvý vrchol má svojho predchodcu None (tak ako posledný svojho nasledovníka). Dvojsmerný spájaný zoznam by sme si mohli zakresliť, napríklad takto:

sedemprvkový dvojsmerný spájaný zoznam

Zapíšme niekoľko metód:

class DvojsmernyZoznam:
    class Vrchol:
        def __init__(self, data, prev=None, next=None):
            self.data = data
            self.prev = prev
            self.next = next

    def __init__(self, postupnost):
        self.zac = self.kon = None
        for prvok in postupnost:
            self.append(prvok)

    def __repr__(self):
        vysl, zoz = [], self.zac
        while zoz is not None:
            vysl.append(repr(zoz.data))
            zoz = zoz.next
        vysl.append('None')
        return ' <-> '.join(vysl)

    def insert0(self, hodnota):
        self.zac = self.Vrchol(hodnota, None, self.zac)
        if self.kon is None:
            self.kon = self.zac
        else:
            self.zac.next.prev = self.zac

    def append(self, hodnota):
        if self.zac is None:
            self.insert0(hodnota)
        else:
            novy = self.Vrchol(hodnota, self.kon)
            self.kon.next = novy
            self.kon = novy

V rámci cvičení si vyskúšate naprogramovať aj ďalšie metódy.


Cyklický spájaný zoznam

Spomenieme ešte jeden variant spájaných zoznamov, ktorý sa reálne využíva v niektorých špeciálnych situáciách. Cyklický spájaný zoznam (Circular Linked List) môže byť jednosmerný aj dvojsmerný - my sa tu budeme zaoberať len jednosmerným zoznamom. Označuje, že posledný vrchol v zozname nemá svojho nasledovníka označeného ako None ale nejaký iný vrchol v zozname. Najčastejšie to býva práve prvý vrchol zoznamu. Pri cyklickom zozname si musíte dať veľmi dobrý pozor na to, aby ste nevytvorili nekonečný cyklus. Cyklický spájaný zoznam by sme si mohli zakresliť, napríklad takto:

sedemprvkový cyklický spájaný zoznam

Zapíšme na ukážku niekoľko metód:

class CyklickyZoznam:
    class Vrchol:
        def __init__(self, data, next=None):
            self.data, self.next = data, next

    def __init__(self, postupnost=None):
        self.zac = self.kon = None
        if postupnost is not None:
            for hodnota in postupnost:
                self.append(hodnota)

    def __repr__(self):
        vysl, zoz = [], self.zac
        while zoz is not None:
            vysl.append(repr(zoz.data))
            zoz = zoz.next
            if zoz == self.zac:
                break
        vysl.append('...')
        return ' -> '.join(vysl)

    def __len__(self):
        vysl, zoz = 0, self.zac
        while zoz is not None:
            vysl += 1
            zoz = zoz.next
            if zoz == self.zac:
                break
        return vysl

    def insert0(self, hodnota):
        if self.zac is None:
            self.zac = self.kon = self.Vrchol(hodnota)
            self.zac.next = self.zac
        else:
            self.kon.next = self.Vrchol(hodnota, self.zac)
            self.zac = self.kon.next

    def append(self, hodnota):
        if self.zac is None:
            self.insert0(hodnota)
        else:
            self.kon.next = self.Vrchol(hodnota, self.zac)
            self.kon = self.kon.next

Turingov stroj


Alan Turing

Alan Turing (tiež) (1912-1954) sa považuje za zakladateľa modernej informatiky - rok 2012 sa na celom svete oslavoval ako Turingov rok.

Turingov stroj je veľmi zjednodušený model počítača, vďaka ktorému sa informatika dokáže zaoberať zložitosťou problémov - Turing ho publikoval v roku 1936 (keď mal 24 rokov).

Základná idea takéhoto stroja je nasledovná:

  • pracuje s nekonečnou páskou - postupnosť políčok, na každom môže byť nejaký symbol (my si to zjednodušíme obyčajnými znakmi, t.j. jednoznakovými reťazcami) - táto páska je nekonečná oboma smermi

  • nad páskou sa pohybuje čítacia/zapisovacia hlava, ktorá vie prečítať symbol na páske a prepísať ho iným symbolom

  • samotný stroj (riadiaca jednotka) sa v každom momente nachádza v jednom zo svojich stavov: na základe momentálneho stavu a prečítaného symbolu na páske sa riadiaca jednotka rozhoduje, čo bude robiť

  • na začiatku sa na políčkach pásky nachádzajú znaky nejakého vstupného reťazca (postupnosť symbolov), stroj sa nachádza v počiatočnom stave (stavy pomenujeme ľubovoľnými reťazcami znakov, napríklad 's1' alebo 'end'), celý zvyšok nekonečnej pásky obsahuje prázdne symboly (my sa dohodneme, že to budeme označovať symbolom '_')

  • činnosť stroja (program) sa definuje špeciálnou dvojrozmernou tabuľkou, tzv. pravidlami

  • každé pravidlo je takáto pätica: (stav1, znak1, znak2, smer, stav2) a popisuje:

    • keď je stroj v stave stav1 a na páske (pod čítacou hlavou) je práve symbol znak1, tak ho stroj prepíše týmto novým symbolom znak2, posunie sa na páske podľa zadaného smeru smer o (-1, 0, 1) políčko a zmení svoj stav na stav2

    • napríklad pravidlo (s0, a, b, >, s1) označuje: v stave 's0' so symbolom 'a' na páske ho zmení na 'b', posunie sa o jedno políčko vpravo a zmení svoj stav na 's1'

    • pre lepšiu čitateľnosť budeme smery na posúvanie hlavy označovať pomocou znakov '<' (vľavo), '>' (vpravo), '=' (bez posunu)

    • takéto pätice sa niekedy označujú aj v tomto tvare: (stav1, znak1) -> (znak2, smer, stav2), t.j. pre danú dvojicu stav a znak, sa zmení znak

  • program má väčšinou viac stavov, z ktorých niektoré sú špeciálne, tzv. koncové a majú takýto význam:

    • keď riadiaca jednotka prejde do koncového stavu, výpočet stroja sa zastaví a stroj oznámi, že akceptoval vstupné slovo, vtedy sa môžeme pozrieť na obsah pásky a táto informácia môže byť výsledkom výpočtu

  • stroj sa zastaví aj v prípade, že neexistuje pravidlo, pomocou ktorého by sa dalo pokračovať (stroj skončil v nekoncovom stave), vtedy

    • hovoríme, že stroj oznámil, že zamietol (neakceptoval) vstupné slovo

  • zrejme sa takýto stroj môže niekedy aj zacykliť a neskončí nikdy (pre informatikov je aj toto veľmi dôležitá informácia)

Na internete sa dá nájsť veľa rôznych zábavných stránok, ktoré sa venujú Turingovmu stroju, napríklad

Zostavme náš prvý program pre Turingov stroj:

(0, a)  ->  (A, >, 0)
(0, _)  ->  (_, =, end)

Vidíme, že pre počiatočný stav (zrejme je to stav s menom 0) sú tu dve pravidlá: buď je na páske symbol 'a' alebo symbol '_', ktorý označuje prázdne políčko. Ak teda čítacia hlava má pod sebou na páske symbol 'a', tak ho prepíše na symbol 'A' a posunie hlavu na políčko vpravo. Riadiaca jednotka pritom stále ostáva v stave 0. Vďaka tomuto pravidlu sa postupne všetky písmená 'a' nahradia 'A'. Ak sa pritom narazí na iný symbol, prvé pravidlo sa už nebude dať použiť a stroj sa pozrie, či nemá pre tento prípad iné pravidlo. Ak je na páske už len prázdny symbol, stroj sa zastaví a oznámi radostnú správu, že vstupné slovo akceptoval a vyrobil z neho nový reťazec. Ak ale bude na páske za postupnosťou 'a' aj nejaké iné písmeno, stroj nenájde pravidlo, ktoré by mohol použiť a preto sa zastaví. Oznámi pritom správu, že takéto vstupné slovo zamietol.

Priebeh výpočtu pre vstupné slovo 'aaa' by sme si mohli znázorniť, napríklad takto:

aaa
^ 0
Aaa
 ^ 0
AAa
  ^ 0
AAA_
   ^ 0
AAA_
   ^ end
True

True na konci výpisu znamená, že stroj sa úspešne zastavil v koncovom stave, teda stroj akceptoval vstupné slovo.

Všimnite si, že v našej vizualizácii sa na páske automaticky objavujú prázdne symboly, keďže páska je nekonečná a okrem vstupného slova obsahuje práve tieto znaky.

Ak by sme zadali, napríklad slovo ‚aba‘, tak by výpočet prebiehal takto:

aba
^ 0
Aba
 ^ 0
False

False tu znamená, že stroj sa zastavil v inom ako koncovom stave, teda zamietol vstup.

Môžeme povedať, že náš prvý program pre Turingov stroj akceptuje len také vstupné slová, ktoré sú zložené len zo znakov 'a'. Okrem toho sa na páske znaky 'a' zmenia na 'A'.


Cvičenia


  1. * Poskladaj triedu SpajanyZoznam z prednášky s atribútmi zac a kon a s týmito metódami:

    • __repr__(), __len__(), __contains__(hodnota), insert0(hodnota), append(hodnota) (rýchla verzia), pop0() a pop()

    Metóda __len__ zisťuje veľkosť spájaného zoznamu pomocou while-cyklu (prechádza všetky prvky a počíta ich počet). Prepíš túto metódu tak, aby neobsahovala cyklus: v triede zadefinuješ ešte jeden atribút (počítadlo) a potom každá metóda, ktorá zvyšuje počet prvkov zoznamu (napríklad append()) zvýši toto počítadlo o 1 a každá metóda, ktorá nejaké prvky zo zoznamu vyhadzuje (napríklad pop()), zníži toto počítadlo. Otestuj, napríklad:

    z = SpajanyZoznam(range(1000))
    for i in range(495):
        z.pop(); z.pop0()
    for i in range(5):
        z.append(i); z.insert0(i)
    print(len(z))
    

    Vedel by si ručne bez počítača zistiť, aké prvky obsahuje tento výsledný 20-prvkový zoznam?

    Ak by si nemal túto rýchlu verziu __len__, nasledovný test by bežal dosť dlho, otestuj:

    z = SpajanyZoznam()
    pocet = 0
    for i in range(30000):
        z.insert0(i)
        pocet += len(z)
    print(pocet)
    
    450015000
    

  1. Len pomocou metód triedy SpajanyZoznam vymeň prvý a posledný prvok zoznamu (použi niektoré z metód append, insert0, pop, pop0). Napríklad:

    >>> zoz = SpajanyZoznam('PYTHON')
    >>> zoz
        'P' -> 'Y' -> 'T' -> 'H' -> 'O' -> 'N' -> None
    >>> ...
    >>> ...
    >>> ...
    >>> zoz
        'N' -> 'Y' -> 'T' -> 'H' -> 'O' -> 'P' -> None
    

    Tvoje riešenie by malo fungovať pre ľubovoľný spájaný zoznam, ktorý má aspoň 2 prvky. Samozrejme, že nebudeš pracovať priamo s atribútom zac.


  1. Do triedy SpajanyZoznam pridaj metódu by_pattern(vzor=(0,)), ktorá nahradí hodnoty v spájanom zozname prvkami postupnosti vzor. Tieto prvky berie z neprázdnej postupnosti postupne a keď sa minú, začne z nich brať od začiatku. Postupnosťou by mohol byť zoznam, n-tica, reťazec alebo range. Malo by fungovať, napríklad aj toto:

    >>> zoz = SpajanyZoznam('pocitac')
    >>> zoz.by_pattern()
    >>> zoz
        0 -> 0 -> 0 -> 0 -> 0 -> 0 -> 0 -> None
    >>> zoz.by_pattern('ab')
    >>> zoz
        'a' -> 'b' -> 'a' -> 'b' -> 'a' -> 'b' -> 'a' -> None
    >>> zoz.by_pattern((1, 'a', 3.14))
    >>> zoz
        1 -> 'a' -> 3.14 -> 1 -> 'a' -> 3.14 -> 1 -> None
    >>> zoz.by_pattern(range(2, 6))
    >>> zoz
        2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 2 -> 3 -> 4 -> None
    

  1. Do triedy SpajanyZoznam zapíš metódu count(podret). Táto metóda bude postupne prechádzať prvky spájaného zoznamu a v tých z nich, ktoré sú znakové reťazce, zistí počet výskytov reťazca podret. Výsledkom metódy bude celkový počet týchto výskytov. Napríklad:

    zoz = SpajanyZoznam('anicka dusicka kde si bola'.split())
    for r in 'a', 'ic', 'kde si':
        print(repr(r), zoz.count(r))
    print(SpajanyZoznam(('123', 232, '321', 433)).count('3'))
    
    'a' 4
    'ic' 2
    'kde si' 0
    2
    

  1. * Do triedy SpajanyZoznam dopíš metódy, ktoré všetky vrátia (pomocou return) nový SpajanyZoznam a pôvodný zoznam nechajú bez zmeny.

    • metóda copy() vráti presnú kópiu pôvodného zoznamu

    • metóda reversed() vráti prevrátenú kópiu pôvodného zoznamu

    • metóda filter(podmienka) vráti kópiu pôvodného zoznamu, ale len tých prvkov, ktoré spĺňanú danú podmienku (parameter podmienka je logická funkcia)

    • metóda map(funkcia) vráti kópiu pôvodného zoznamu, ale na každý prvok aplikuje danú funkciu (parameter funkcia je funkcia, s jedným parametrom, napríklad str) - metóda sa podobá na funkciu mapuj z prednášky, ale teraz nemodifikuje samotný zoznam, ale vyrába kópiu

    • metóda enumerate() vráti kópiu pôvodného zoznamu, ale z každého prvku vyrobí dvojicu (tuple), v ktorej prvým prvkom bude poradové číslo (od 0) a druhým prvkom bude samotná hodnota vo vrchole, malo by to fungovať podobne ako štandardná funkcia enumerate()

    Napríklad:

    >>> z = SpajanyZoznam('Python')
    >>> z
        'P' -> 'y' -> 't' -> 'h' -> 'o' -> 'n' -> None
    >>> z1 = z.copy()
    >>> z1
        'P' -> 'y' -> 't' -> 'h' -> 'o' -> 'n' -> None
    >>> z2 = z.reversed()
    >>> z2
        'n' -> 'o' -> 'h' -> 't' -> 'y' -> 'P' -> None
    >>> z3 = z.filter(lambda x: x in 'aeiouy')
    >>> z3
        'y' -> 'o' -> None
    >>> z4 = z.map(lambda x: x.upper()+'!')
    >>> z4
        'P!' -> 'Y!' -> 'T!' -> 'H!' -> 'O!' -> 'N!' -> None
    >>> z5 = z.enumerate()
    >>> z5
        (0, 'P') -> (1, 'y') -> (2, 't') -> (3, 'h') -> (4, 'o') -> (5, 'n') -> None
    >>> z
        'P' -> 'y' -> 't' -> 'h' -> 'o' -> 'n' -> None
    

  1. * Do triedy SpajanyZoznam zapíš metódu opakuje_sa(), ktorá v danom zozname nájde taký prvok, ktorý sa tam opakuje aspoň raz. Rieš to dvomi vnorenými while-cyklami: postupne pre každý prvok zoznamu prejdeš celý zvyšok až do konca a hľadáš prvok s rovnakou hodnotou. Ak taký prvok neexistuje, metóda vráti None. Ak je takých prvkov viac, vráti ľubovoľný z nich. Napríklad:

    >>> a = SpajanyZoznam((*range(100), *range(90, 200)))
    >>> print(a.opakuje_sa())
        90
    >>> b = SpajanyZoznam('mama ma emu a ema Ma mamu'.split())
    >>> print(b.opakuje_sa())
        None
    

  1. Do triedy SpajanyZoznam dopíš magickú metódu __eq__(druhy), pomocou ktorej sa dajú porovnať dva zoznamy. Parametrom tejto metódy je druhý porovnávaný zoznam (objekt typu SpajanyZoznam). Python potom zo zápisu z1==z2 vyrobí volanie z1.__eq__(z2). Malo by teraz fungovať napríklad:

    >>> z1 = SpajanyZoznam(range(2, 7))
    >>> z2 = SpajanyZoznam((3, 4, 5, 6, 7))
    >>> z2.pop()
        7
    >>> z2.insert0(2)
    >>> z1 == z2
        True
    >>> z1.pop()
        6
    >>> z1 == z2
        False
    

  1. * Do triedy SpajanyZoznam doplň metódy __getitem__() a __setitem__() z prednášky. Potom odmeraj čas pre obe verzie zvyšovania hodnôt prvkov zoznamu o 1:

    import time
    
    zoz1 = SpajanyZoznam(range(10000))
    start = time.time()
    z = zoz1.zac
    while z is not None:
        z.data += 1
        z = z.next
    print('čas1 =', ...)
    
    zoz2 = SpajanyZoznam(range(10000))
    start = time.time()
    for i in range(len(zoz2)):
        zoz2[i] = zoz2[i] + 1
    print('čas2 =', ...)
    

    Prečo je taký veľký rozdiel v čase vytvárania týchto zoznamov?

    Tiež sa zamysli, prečo je rôzna rýchlosť pre vytvorenie týchto dvoch pythonovských zoznamov list1 a list2:

    list1 = list(SpajanyZoznam(range(10000)))
    print('list1 hotovo')
    zoz = SpajanyZoznam(range(10000))
    list2 = []
    z = zoz.zac
    while z:
        list2.append(z.data)
        z = z.next
    print('list2 hotovo')
    print(list1 == list2)
    

  1. * Metóda __delitem__(index) by mala umožniť vyhodiť zo zoznamu prvok s príslušným indexom. Dopíš ju do triedy SpajanyZoznam. Teraz by malo fungovať, napríklad:

    >>> z = SpajanyZoznam(range(3, 22, 4))
    >>> z
        3 -> 7 -> 11 -> 15 -> 19 -> None
    >>> del z[2]
    >>> z
        3 -> 7 -> 15 -> 19 -> None
    

  1. Napíš metódu extend(param), ktorá bude fungovať podobne ako metóda extend pre pythonovský zoznam (typu list): parametrom je ľubovoľná iterovateľná postupnosť alebo iný spájaný zoznam. Metóda pridá prvky postupnosti, resp. iného spájaného zoznamu na koniec pôvodného zoznamu. Metóda nič nevracia. Napríklad:

    >>> z = SpajanyZoznam(range(3, 8))
    >>> z.extend('hello')
    >>> z.extend(SpajanyZoznam([1, 'a', 3.14]))
    >>> z
        3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7 -> 'h' -> 'e' -> 'l' -> 'l' -> 'o' -> 1 -> 'a' -> 3.14 -> None
    >>> z1 = SpajanyZoznam('x')
    >>> z2 = SpajanyZoznam(range(30000))
    >>> z1.extend(z2)
    >>> len(z1)
        30001
    

    Zamysli sa nad tým, ako spraviť, aby z1.extend(z2) nebolo príliš pomalé.


  1. * Do triedy SpajanyZoznam dopíš magickú metódu __add__(druhy), vďaka ktorej sa budú dať veľmi elegantne zreťazovať spájané zoznamy podobne ako sa zreťazujú znakové reťazce aj pythonovské zoznamy. Parametrom druhy tejto metódy je druhý spájaný zoznam (objekt typu SpajanyZoznam). Python potom zo zápisu z1+z2 vyrobí volanie z1.__add__(z2). Metóda teda vráti nový spájaný zoznam, ktorý vznikne spojením pôvodných dvoch zoznamov (tieto nepokazí). Otestuj:

    >>> z1 = SpajanyZoznam('abc')
    >>> z2 = SpajanyZoznam(range(2, 10, 2))
    >>> z3 = z1 + z2
    >>> z3
        'a' -> 'b' -> 'c' -> 2 -> 4 -> 6 -> 8 -> None
    >>> z1
        'a' -> 'b' -> 'c' -> None
    >>> z2
        2 -> 4 -> 6 -> 8 -> None
    >>> z2 + z1
        2 -> 4 -> 6 -> 8 -> 'a' -> 'b' -> 'c' -> None
    

  1. Implementuj metódy tried Stack a Queue pomocou cyklického spájaného zoznamu: udržiavaj jedinú referenciu a to na posledný vrchol (jeho nasledovníkom je začiatok zoznamu). Potom otestuj rýchlosť práce s takýmito zásobníkmi a radmi v porovnaní s realizáciou pomocou obyčajného pythonovského zoznamu (typ list):

    • najprv vytvor n prvkovú štruktúru (zásobník alebo rad)

    • potom z neho postupne vyberaj všetky prvky - testuj aj pre veľké n, napríklad 100000


Turingov stroj


  1. Pomocou triedy Turing z prednášky otestuj tieto pravidlá:

    (start, q)  ->  (q, >, jedna)
    (jedna, q)  ->  (q, >, dva)
    (dva, q)    ->  (q, >, start)
    (jedna, _)  ->  (_, =, stop)
    

    Zapíš ich do programu:

    prog = '''
    
    
    '''
    t = Turing(prog, ...)
    print(t.rob())
    

    Zisti, aké reťazce bude akceptovať tento Turingov stroj. Nájdi aspoň 3 rôzne dlhé reťazce aspoň dĺžky 8, ktoré budú akceptované (teda metóda rob() vráti True).


  1. * Napíš pravidlá (program) pre Turingov stroj, ktorý bude akceptovať len takú postupnosť symbolov na páske, ktorá obsahuje len písmená {a, b, c}. Otestuj s rôznymi vstupnými reťazcami, napríklad:

    for retazec in 'abcb', 'ccccca', 'cba'*10, 'cbxcba', 'aabbccAABBCC':
        t = Turing('''
        ...program...
        ''', retazec)
        print(retazec, t.rob(False))
    

  1. Na vstupnej páske je postupnosť znakov 'x'. Napíš program, ktorý akceptuje tento vstup len, ak obsahuje nepárny počet týchto znakov. Napríklad:

    >>> prog = '''
        ...program...
        '''
    >>> print(Turing(prog, 'xxxxx').rob(False))
        True
    >>> print(Turing(prog, 'xx' * 5).rob(False))
        False
    

  1. Program z úlohy (15) oprav tak, aby akceptoval len reťazce zložené z písmen {x, y}, v ktorých je nepárny počet znakov 'x' (na počte 'y' by nemalo záležať).

    >>> prog = '''
        ...program...
        '''
    >>> print(Turing(prog, 'xxxxx').rob(False))
        True
    >>> print(Turing(prog, 'yyy').rob(False))
        False
    >>> print(Turing(prog, 'yx' * 5).rob(False))
        True
    

  1. * Na vstupnej páske je reťazec zložený len zo znakov 'e'. Napíš program pre Turingov stroj, ktorý akceptuje len reťazce z písmen 'e', pričom na ich koniec pripíše jeden zo znakov {0, 1, 2} a to podľa zvyšku po delení 3 počtu 'e'. Napríklad:

    for pocet in 10, 9, 8, 7:
        t = Turing('''
        ...program...
        ''', 'e' * pocet)
        print(t.rob(False), t.paska.text)
    

    by mal vypísať:

    True eeeeeeeeee1
    True eeeeeeeee0
    True eeeeeeee2
    True eeeeeee1
    

  1. * Otestuj Turingov stroj z prednášky, ktorý pripočítaval 1 k dvojkovému zápisu pre nejaké väčšie číslo, napríklad takto:

    cislo = 555
    retazec = f'{cislo:b}'
    t = Turing(...) #zavolaj Turingov stroj s daným reťazcom
    t.rob(False)
    vysledok = t.paska.text
    print(cislo, retazec, vysledok, int(vysledok, 2))
    

    Uvedom si, že v premennej retazec je dvojkový zápis daného čísla cislo a v premennej vysledok by mal byť dvojkový zápis tohto čísla zväčšeného o 1.

    Skontroluj tento program aj pre iné čísla, napríklad pre 2**20-1


  1. * Uprav pravidlá Turingovho stroja z predchádzajúcej (18) úlohy tak, aby na páske vzniklo dvojkové číslo o 1 menšie. Napríklad:

    >>> t = Turing(prog, '1000')
    >>> t.rob(False)
        True
    >>> t.paska.text
        '111'
    

  1. * Navrhni Turingov stroj, ktorý predpokladá, že na páske je postupnosť znakov '1'. Po skončení práce stroja (metóda rob() vráti True) bude na páske celá táto postupnosť jednotiek skopírovaná za seba aj s prázdnym symbolom, napríklad:

    >>> t = Turing(prog, '1111')
    >>> t.rob(False)
        True
    >>> t.paska.text
        '1111_1111'
    

  1. Navrhni Turingov stroj, ktorý predpokladá, že na páske je postupnosť znakov 'x'. Po skončení práce stroja (metóda rob() vráti True) bude na páske celá táto postupnosť iksov skrátená na polovicu, napríklad:

    >>> t = Turing(prog, 'xxxx')
    >>> t.rob(False)
        True
    >>> t.paska.text
        'xx'
    >>> t = Turing(prog, 'x' * 15)
    >>> t.rob(False)
        True
    >>> t.paska.text
        'xxxxxxx'
    

Ďalšie úlohy


  1. * Čísla od 0 do 255 sú uložené v jednom bajte (8 bitov). Čísla do 65535 sú uložené v dvoch bajtoch (16 bitov). Napíš funkciu bajty(cislo), ktorá z daného čísla vráti postupnosť bajtov. Zrejme posledný bajt vypočítaš ako cislo % 256 a zvyšné bajty sú potom cislo // 256 - toto budeš opakovať, kým nebude cislo nula. Napríklad:

    >>> bajty(100)
        [100]
    >>> bajty(1000)
        [3, 232]
    >>> bajty(10000)
        [39, 16]
    >>> bajty(2 ** 16 - 1)
        [255, 255]
    >>> bajty(3 ** 33)
        [19, 191, 239, 166, 90, 187, 131]
    

  1. * Každý bajt (číslo od 0 do 255) sa dá zapísať jedným dvojciferným číslom v 16-ovej sústave. Napíš funkciu do_hex(post), ktorá postupnosť bajtov z (22) úlohy vypíše v 16-ovej sústave. Výsledok porovnaj so šestnástkovým výpisom pôvodného čísla. Napríklad:

    >>> do_hex(bajty(1000))
        03 e8
    >>> f'{1000:04x}'
        '03e8'
    >>> do_hex(bajty(3 ** 33))
        13 bf ef a6 5a bb 83
    >>> f'{3**33:x}'
        '13bfefa65abb83'
    

3. Týždenný projekt


Zapíš metódy triedy Turing s týmito metódami:

class Turing:
    ### vnorená podtrieda

    class DvojsmernyZoznam:
        class Vrchol:
            def __init__(self, data, prev=None, next=None):
                self.data, self.prev, self.next = data, prev, next

        def __init__(self, postupnost):
            self.zac = None
            self.poz = ...
            ...

    ### metody triedy Turing

    def __init__(self, program, obsah=''):
        self.program = {}
        self.paska = self.DvojsmernyZoznam(...)
        ...

    def restart(self, stav=None, obsah=None, n=None):
        # od noveho stavu (ak nie je None), s novou paskou (ak nie je None) a zavola rob()
        return False, 0

    def rob(self, n=None):
        return False, 0

    def text(self):
        return ''

    text = property(text)

Tento Turingov stroj by sa mal správať veľmi podobne, ako ten z prednášky, líšiť sa bude len v niekoľkých detailoch:

  • inicializácia __init__() má dva parametre program a počiatočný stav pásky, pričom program sa zadáva inak ako bolo v prednáške (uvádzame nižšie)

  • atribút paska musí byť typu DvojsmernyZoznam - do tejto vnorenej podtriedy si môžeš dodefinovať vlastné metódy aj atribúty, napríklad kon, ˙˙insert0()˙˙ a append(); atribút poz v dvojsmernom zozname bude referencia na vrchol v tomto zozname podľa aktuálnej pozície čítacej hlavy turingovho stroja - zrejme posúvaním hlavy vľavo, resp. vpravo by sa mala posúvať práve táto pozícia

  • metódy restart() a rob() majú posledný parameter n, ktorý, ak je zadaný, určuje maximálny počet vykonávaných pravidiel, ak by sa mal tento počet presiahnuť, výpočet končí tak, ako keby neakceptoval vstup (Turingov stroj vtedy vykoná maximálne len n pravidiel, ale n+1-pravidlo už nie)

  • obe tieto metódy vrátia dvojicu: True/False a počet vykonaných pravidiel

  • metóda restart() môže mať tieto ďalšie 2 parametre, ktorým môžeme nastaviť počiatočný stav, resp. zmeniť obsah pásky (pri zmene obsahu sa pozícia na páske nastaví na 0), táto metóda okrem nastavovania stavu a pásky zavolá metódu rob()

  • množina koncových stavov je {'end', 'stop'}

  • metóda text() vráti momentálny stav pásky, ktorý je očistený od úvodných a záverečných prázdnych znakov '_' - testovač ju bude používať ako atribút - property

  • v triede Turing môžeš dodefinovať ďalšie metódy aj atribúty

Formát zadávaného programu pre Turingov stroj

Doteraz sme definovali Turingov stroj ako zoznam pravidiel, pričom každé z nich bolo päticou:

stav1 znak1 znak2 smer stav2

Napríklad:

s1 0 0 > s1
s1 1 1 > s1
s1 _ _ < s2

s2 1 0 < s2
s2 0 1 = end
s2 _ 1 = end

Tento istý Turingov stroj môžeme definovať aj takouto tabuľkou:

s1

s2

0

0 > s1

1=end

1

1 > s1

0 < s2

_

_ < s2

1=end

V tejto tabuľke sú v prvom riadku vymenované všetky stavy (okrem koncových), v prvom stĺpci sú všetky sledované symboly, pre ktoré existuje pravidlo. Každé vnútorné políčko tabuľky reprezentuje jedno pravidlo: stav1 z príslušného stĺpca a znak1 z príslušného riadka, samotné políčko obsahuje trojicu znak2 smer stav2. Ak pre nejakú dvojicu stav1, znak1 neexistuje pravidlo, tak na príslušnom mieste tabuľky je namiesto trojice reťazcov jeden znak '.'.

Niekedy sa takáto tabuľka môže trochu sprehľadniť tým, že sa môžu vynechať časti znak2, resp. stav2, ak sa zhodujú so znak1, resp. stav1. Predchádzajúca tabuľka by mohla vyzerať aj takto a popisovala by ten istý Turingov stroj:

s1

s2

0

>

1=end

1

>

0<

_

<s2

1=end

Všimni si, že sme tu vynechali medzery v trojiciach vo vnútri tabuľky. Takúto tabuľku budeme do triedy Turing zadávať pri inicializácii, napríklad takto:

prog = '''
    s1    s2
0    >    1=end
1    >    0<
_   <s2   1=end
'''
t = Turing(prog, '1011')

Uvedom si, že ak má Turingov stroj n stavov (okrem koncových), tak prvý riadok súboru obsahuje n reťazcov - názvov stavov (prvý z nich bude štartový), ktoré sú navzájom oddelené aspoň jednou medzerou. Každý ďalší riadok (podľa počtu rôznych rozlišovaných znakov) obsahuje presne n+1 reťazcov navzájom oddelených aspoň jednou medzerou.

Ďalší príklad ukazuje tabuľku aj s políčkami bez pravidiel:

s1

s2

s3

s4

s5

a

>s2

.

.

.

.

h

.

>s3

.

.

.

o

.

.

>s4

.

.

j

.

.

.

>s5

.

_

.

.

.

.

=end

Obmedzenia

  • svoje riešenie odovzdaj v súbore riesenie.py, pričom sa v ňom bude nachádzať len jedna definícia triedy Turing

  • atribút program v triede Turing bude obsahovať slovník (asociatívne pole) s pravidlami Turingovho stroja (vo formáte z prednášky)

  • prvé tri riadky tohto súboru budú obsahovať:

    # 3. zadanie: turing
    # autor: Janko Hraško
    # datum: 8.3.2024
    
  • zrejme ako autora uvedieš svoje meno

  • program by nemal počas testovania testovačom nič vypisovať (žiadne testovacie print())

Testovanie

Keď budeš spúšťať svoje riešenie na svojom počítači, môžeš do súboru riesenie.py pridať testovacie riadky, ktoré však testovač nebude vidieť, napríklad takto:

if __name__ == '__main__':
    prog = '''
        s1    s2
    0    >    1=end
    1    >    0<
    _   <s2   1=end
    '''
    t = Turing(prog, '1011')
    print(t.program)
    print(t.rob())
    print('vysledok =', t.text)
    print(t.restart('s1', '10102010'))

Tento test by mal vypísať:

{('s2', '_'): ('1', '=', 'end'), ('s1', '_'): ('_', '<', 's2'), ('s2', '1'): ('0', '<', 's2'),
('s1', '0'): ('0', '>', 's1'), ('s1', '1'): ('1', '>', 's1'), ('s2', '0'): ('1', '=', 'end')}
(True, 8)
vysledok = 1100
(False, 4)

Projekt riesenie.py odovzdávaj na úlohový server https://list.fmph.uniba.sk/. Môžeš zaň získať 5 bodov.