Informatica. Deel II: les 5. productieproces & stacks/queues/linked lists. Jan Lemeire Informatica deel II februari mei 2014

Transcriptie

1 Informatica Deel II: les 5 productieproces & stacks/queues/linked lists Jan Lemeire Informatica deel II februari mei 2014 Parallel Systems: Introduction

2 Hoofdstuk 6: Het productieproces Jan Lemeire Pag. 2 / 55

3

4 Optische computer? Maar Ook aan de VUB wordt er onderzoek gedaan naar een optische computer. Ik zie echter twee grote problemen waardoor deze waarschijnlijk nooit op de markt zal komen. Jan Lemeire Pag. 4 / 55

5 Probleem 1: Electrische computer heeft al een hele ontwikkelingsproces doorgemaakt Een alternatief moet wedijveren met de huidige processorkracht, de ontwikkeling van deze werd gefinancierd door de verkoop van minder krachtige processoren. Een alternatief heeft deze mogelijkheid niet Jan Lemeire Pag. 5 / 55

6 Aanverwant thema: het beste is niet de beste optie De eerste iphone of ipad die Apple op de markt bracht was niet het beste wat Apple te bieden had, maar ze was wel goed genoeg om de markt te veroveren. Zo kon Apple later met een verbeterde versie uitpakken (bvb betere camera) en weer langs de kassa passeren Jan Lemeire Pag. 6 / 55

7 Probleem 2 Geen goedkoop, eenvoudig productieproces lenzen zijn foutgevoelig, niet te miniaturiseren Electrische computer heeft dat wel, gebruik makend van micro-electronica Jan Lemeire Pag. 7 / 55

8 Wel: communicatienetwerken gaan via licht Glasvezel The world s cable map: Ook voor communicatie in computersystemen Jan Lemeire Pag. 8 / 55

9 De doorbraak van de computertechnologie Von Neuman met één van de eerste computers. Rechts de achterkant met de vacuümbuizen. De vacuümbuizen worden vervangen door chips Jan Lemeire Pag. 9 / 55

10 Informatica II: les 4 Componenten op een bordje met ingebakken connectielijnen

11 Waarmaken van Leibniz s droom (10) Artificiële intelligentie (9) Communicatie & internet (8) Operating system (7) Computatietheorie & Software (6) Efficiënt productieproces (5) Hardware architectuur Electronica: (3) relais -schakeling, (4)geheugen (2) Digitaal & binair (1) Het idee Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

12 Alle componenten op een chip In plaats van losse componenten die geconnecteerd moeten worden, wordt er 1 plaatje gemaakt waarvan delen gemuteerd zijn tot geleiders of halfgeleiders. Zo worden er weerstanden, capaciteiten en transistoren ingebakken in het plaatje alsook de connectoren die de componenten connecteren. Er wordt gestart met een wafer van silicium (element Si atoomnummer 14). Vervolgens wordt er adhv mallen geëtst in het wafer en worden er andere elementen geïnjecteerd (dopering genoemd) zodat een geleider of halfgeleider ontstaat. Jan Lemeire Pag. 12 / 55

13 Zand bevat het wonderlijke Silicium, de basis van de chip Jan Lemeire Pag. 13 / 55

14 Silicium- wafer Etsen en doperen met geleidend en halfgeleidend materiaal Informatica II: les 7 Jan Lemeire Pag. 14 / 55

15 Etsen van wafer adhv mal Eenvoudig productieproces te miniaturiseren tot 10 nanometer Jan Lemeire Pag. 15 / 55

16 Op 40 jaar van tot transistoren op 20x20mm Informatica II: les 7 Jan Lemeire Pag. 16 / 55

17 Moederbord Jan Lemeire Pag. 17 / 55

18 Chip design Het aanmaken van een chip gebeurt volautomatisch vertrekkende van je ontwerp van het electronisch circuit. Voor het ontwerp bestaat modern software. Jan Lemeire Pag. 18 / 55

19 Miniaturisatie Breedte van de geleidende lijntjes op de chip

20 1. Productieproces 2. Speciale lijsten Vandaag 1. Verzameling Herhaling interfaces 2. Stapel 3. Wachtrij 4. Gelinkte lijst

21 Verzameling Set

22 p. 40 De Set Definitie van documentatie: A collection that contains no duplicate elements. More formally, sets contain no pair of elements e1 and e2 such that e1.equals(e2), and at most one null element. Een wiskundige verzameling dus... In Java gedefinieerd als interface Jan Lemeire Pag. 22 / 55

23 Method Summary boolean add(e e) Adds the specified element to this set if it is not already present. boolean addall(collection<? extends E> c) Adds all of the elements in the specified collection to this set if they're not already present (optional operation). void clear() Removes all of the elements from this set. boolean contains(object o) Returns true if this set contains the specified element. boolean containsall(collection<?> c) Returns true if this set contains all of the elements of the specified collection. boolean equals(object o) Compares the specified object with this set for equality. boolean isempty() Returns true if this set contains no elements. boolean remove(object o) Removes the specified element from this set if it is present (optional operation). boolean removeall(collection<?> c) Removes from this set all of its elements that are contained in the specified collection. boolean retainall(collection<?> c) Retains only the elements in this set that are contained in the specified collection. int size() Informatica II: les 4 Returns the number of elements in this set (its cardinality). Jan Lemeire Pag. 23 / 55

24 Bewerkingen bewerking methode Unie a U b AddAll() Doorsnede a b RetainAll() Verschil a \ b RemoveAll() Symmetrische verschil (a \ b) U (b \ a) Combinatie van bovenstaande Jan Lemeire Pag. 24 / 55

25 Set Object: implementatie Implementaties voldoen aan het Setkontrakt Gebruik: TreeSet en HashSet Komen we op terug in hoofdstuk 8 Jan Lemeire Pag. 25 / 55

26 public static void main(string[] args) { System.out.print("Geef range: "); Scanner scanner = new Scanner(System.in); int N = scanner.nextint(); p. 42 Set<Integer> getallen = new HashSet<Integer>(); for(int i=2;i<n;i++) // vanaf 2 getallen.add(i); // de zeef van Erathostenes for(int i=2;i<n;i++){ if (getallen.contains(i)){ int m = i * 2; while(m < N){ getallen.remove(m); m = m + i; System.out.print("Er zijn "+getallen.size()+" priemgetallen kleiner dan "+N+": "+getallen); Jan Lemeire Pag. 26 / 55

27 Interfaces

28 Interfaces p. 2 Alle methodes zijn abstract: enkel header, geen implementatie Klasse die interface implementeert moet alle methodes implementeren Filosofie: een interface definieert hoe je met een object communiceert. Je hoeft de implementatie niet te kennen Jan Lemeire Pag. 28 / 55

29 JButton communiceert met KopieerPanel via de interface ActionListener. JButton ziet bovendien enkel de methodes van de interface.

30 Stapel Stack

31 Push Pop Pop Pop Push Push Push Pop p. 42 De stapel of stack Twee operaties: dingen opleggen en afnemen ORANGE BLUE YELLOW BLUE YELLOW BLUE YELLOW BLUE GREEN YELLOW BLUE YELLOW BLUE BLUE Fig.1.5. Last-in, first-out stack last-in, first-out (lifo) structuur Jan Lemeire Pag. 31 / 55

32 interface van stack Wat willen we er mee doen? Pop Push isempty isfull Headers van de methods (interface): void push(int element) int pop() boolean isempty() boolean isfull() Jan Lemeire Pag. 32 / 55

33 import java.nio.bufferoverflowexception; import java.nio.bufferunderflowexception; p public class Stack { int[] data; int pointer=0; // wijst naar het eerste vrije element public Stack(int capacity){ data = new int[capacity]; public void push(int element){ if (pointer == data.length) // check of vol throw new BufferOverflowException(); data[pointer] = element; pointer++; public int pop(){ if (pointer == 0) // check of leeg throw new BufferUnderflowException(); pointer--; return data[pointer]; public boolean isempty(){ return pointer == 0; Jan Lemeire Pag. 33 / 55

34 Vraagjes Je zou ook een pointer kunnen bijhouden naar het bovenste element van de stack, waarbij je met -1 aanduid dat hij leeg is. Wat verandert er aan de code? Voeg een size() methode toe die aangeeft hoeveel elementen er op de stack zijn. Nu werkt ie enkel met integers. Hoe generiek maken, t.t.z. bruikbaar voor elk type? zie volgende datastructuur Jan Lemeire Pag. 34 / 55

35 Waarom niet gewoon een array gebruiken? p Code van stack komt overal in je programma terecht 2. Moeilijk om fouten met stack op te sporen 3. Je geeft niet aan wat je met de array wilt doen 4. Een collega-programmeur kan de array of pointer aanpassen Consistentie om zeep helpen Voorbeeld van het Encapsulatieprincipe Jan Lemeire Pag. 35 / 55

36 Je code wordt dan:... int[] data = new int[capacity]; int pointer=0; Stack stack = new Stack(3);... if (pointer == data.length) throw new BufferOverflowException(); data[pointer] = element; stack.push(element); pointer++;... if (pointer == 0) throw new BufferUnderflowException(); pointer--; element = stack.pop(); element = data[pointer];... Jan Lemeire Pag. 36 / 55

37 Wachtrij Queue

38 p. 45 Wachtrij of Fifo-queue Fifo = First-in, first out Jan Lemeire Pag. 38 / 55

39 Internetknopen Zie deel III hoofdstuk 9 Switch: knooppunt Router: bepaalt ook route van pakketje Als queue vol: packetdrop Verlies van gegevens Moeten opnieuw verstuurd worden Jan Lemeire Pag. 39 / 55

40 Fifo-queue Basisoperaties: add() get() Jan Lemeire Pag. 40 / 55

41 p Implementatie met array 2 pointers nodig eerste eerste eerste data data data laatste laatste laatste eerste eerste data data laatste laatste en... boolean voor te weten of vol/leeg Jan Lemeire Pag. 41 / 55

42 p. 45 public class FIFOQueue<T>{ T[] data; int eerste=0; // pointer naar eerste element (als niet leeg) int laatste=0; // pointer naar de plaats voor het volgend element boolean full = false; // als queue vol is public FIFOQueue(int capacity){ data = (T[]) new Object[capacity]; public void add(t waarde){ if (full) throw new BufferOverflowException(); data[laatste] = waarde; laatste++; if (laatste == data.length) laatste = 0; if (laatste == eerste) full = true; public T get(){ if (isempty()) throw new BufferUnderflowException(); T waarde = data[eerste]; data[eerste] = null; eerste++; if (eerste == data.length) eerste = 0; if (full) full = false; Jan Lemeire Pag. 42 / 55 return waarde; public boolean isempty(){ return!full && laatste == eerste; public boolean isfull(){ return full;

43 Gelinkte lijst Linked list

44 Jan Lemeire Pag. 44 / 55

45 p. 54 Linked List Flexibel toevoegen en verwijderen J A V A Jan Lemeire Pag. 45 / 55

46 public class LinkedList <T> { class Link<T>{ T data; Link<T> next; Link(T data){ this.data = data; this.next = null; Link(T data, Link<T> next){ this.data = data; this.next = next; Link<T> first; public LinkedList(){ first = null; Jan Lemeire Pag. 46 / 55

47 Java s LinkedList Constructor Summary LinkedList() Constructs an empty list. LinkedList(Collection<? extends E> c) Constructs a list containing the elements of the specified collection, in the order they are returned by the collection's iterator. Method Summary boolean add(e e) Appends the specified element to the end of this list. Jan Lemeire Pag. 47 / 55

48 Toevoegen van een bepaald element aan het einde public void append(t data){ Link<T> el = new Link<T>(data); if (first == null){ first = el; else { // zoek laatste link Link<T> last = first; while (last.next!= null) last = last.next; last.next = el; Jan Lemeire Pag. 48 / 55

49 Printen van lijst public String tostring(){ Link<T> link = first; String str = "["; boolean eerste = true; while (link!= null){ if (eerste) eerste = false; else str+=", "; str += link.data; link = link.next; // ga naar volgende str+="]"; return str; Jan Lemeire Pag. 49 / 55

50 Vinden van een bepaald element public T get(int index){ int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index){ link = link.next; i++; if (link == null) return null; else return link.data; Nadeel: heel de lijst moet doorlopen worden Jan Lemeire Pag. 50 / 55

51 Inlassen van een element p. 60 public void insert(t data, int index){ Link<T> newlink = new Link<T>(data); if (index == 0){ // wordt eerste element newlink.next = first; first = newlink; else { int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index - 1){ link = link.next; i++; if (link == null) throw new IllegalArgumentException("Insert at "+index+" impossible; list has only "+(i+1)+" elements."); newlink.next = link.next; link.next = newlink; Informatica II: les 6 Jan Lemeire Pag. 51 / 55

52 Inlassen van een element Jan Lemeire Pag. 52 / 55

53 p. 61 Verwijderen van een element public void remove(int index){ if (index == 0){ if (first == null) throw new IllegalArgumentException("Removal of first element impossible; list has no elements."); first = first.next; else { int i=0; Link<T> link = first; while (link!= null && i < index - 1){ link = link.next; i++; if (link == null link.next == null) throw new IllegalArgumentException("Removal of element "+index+" impossible; list has only "+(i+1)+" elements."); link.next = link.next.next; Informatica II: les 6 Jan Lemeire Pag. 53 / 55

54 p. 56 Verwijderen van een element link first J A V N A Jan Lemeire Pag. 54 / 55

55 Dubbele gelinkte lijst DoubleLinkedList first current last J A V A Voordelen: einde gemakkelijk te vinden houdt huidige positie bij Toepassing: word Jan Lemeire Pag. 55 / 55