Может ли экземпляр структуры храниться в куче heap как это сделать

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 16.09.2024

Объявление структуры

После ключевого слова struct следует имя структуры и далее, в фигурных скобках — элементы структуры (поля, методы и т.д.). Например, определим структуру, которая описывает точку в трехмерном пространстве:

Наша структура содержит три свойства — координаты X,Y,Z и один переопределенный метод ToString , который возвращает строку с координатами точки. Обращение к полям, свойствам и методам структуры, как и в случае с классами, происходит с использованием имени переменной, например:

здесь Point — это имя переменной типа Point3D .

Создание структуры

После того, как структура создана, её полям и свойствам можно присваивать значения (см. в предыдущем пункте).

Если структура содержит только публичные поля (не путать со свойствами) и методы, то можно не вызывать конструктор, а сразу назначить значение полей и после этого вызывать методы структуру. Например:

Если мы попытаемся вывести в консоль значения полей вот так:

Конструкторы структур

Создаем структуры ( struct )

Инициализатор структур struct

Значения полей и свойств структуры, как в случае и с классами, можно задавать непосредственно при создании, используя следующую языковую конструкцию:

то есть вначале мы объявляем переменную, затем вызываем конструктор и затем в фигурных скобках указываем имена полей или свойств и их значения. Даже, если мы создадим и проинициализируем структуру вот так:

то значения полей будут теми, которые мы указываем в инициализаторе, т.е. 24, 45 и 22.

Копирование структур с изменением значений (оператор with)

Вывод в консоли:

Структура — тип значений, класс — ссылочный тип

Если не вдаваться далеко в подробности работы программ, то основное отличие struct от class заключается в том, что структура храниться целиком в стеке, а объект класса храниться в куче, а ссылка на него — в стеке. В результате этого, доступ к данным структуре будет путь не намного, но быстрее, чем к классу. О том, что такое стек и куча мы ещё поговорим позднее.

Структуры не поддерживают наследование

Конечно, вопрос о том, что лучше использовать зависит, в первую очередь, от того в контексте чего задается такой вопрос, но основная рекомендация от Microsoft может быть сформулирована следующим образом: структуры (struct) стоит использовать в том случае, если ваш объект содержит минимальное количество каких-либо логически связанных операций или не содержит их вообще.

Например, использование структур вполне оправдано в примерах выше — описание точки в трехмерном пространстве. Максимум логики, которую мы можем добавить в структуру — это переопределить операторы сложения, вычитания и равенства.

Если же мы пробуем описать с помощью своего типа данных, например, автомобиль, то тут уже логика может быть самая разветвленная: проверка наличия топлива в баке, технические характеристики, оценка состояния в зависимости от каких-либо внешних или внутренних факторов и т.д. Соответственно, в этом случае, более предпочтительным будет использование не структуры, а класса.

Итого

Чтобы лучше понять, когда использовать класс или структуру, рассмотрим различия между структурами и классами. Дополнительный пример см. здесь.

Структуры синтаксически очень похожи на классы, но существует принципиальное отличие, которое заключается в том, что класс – является ссылочным типом (reference type), а структуры – значимым типом (value type) (см. статью «Типы данных«). Следовательно, классы всегда создаются в так называемой “куче” (heap), а структуры создаются в стеке (stack).

Но это справедливо в очень простых случаях, главное отличие структур и классов: структуры, указываемые в списке параметров метода, передаются по значению (то есть копируются), объекты классов — по ссылке. Именно это является главным различием в их поведении, а не то, где они хранятся. Примечание: структуру тоже можно передать по ссылке, используя модификаторы out и ref.

Чем больше вы будете использовать структуры вместо маленьких классов, тем менее затратным по ресурсам будет использование памяти.

Так же как и классы, структуры могут иметь поля, методы и конструкторы. О конструкторах структур уже говорилось, ибо это важный критерий при сравнивании классов и структур.

Мы выяснили, что все встроенные типы значений задаются структурами, например, числовые типы int, long, float определены структурами System.Int32, System.Int64 и System.Single соответственно. Эти структуры имеют поля и методы. Мы уже вызывали методы у переменных этих типов. Например, каждая из перечисленных структур имеет метод ToString( ). Также у перечисленных структур есть статичные поля, например, Int32.MaxValue или Int32.MinValue. Получается, что мы уже многократно использовали структуры.

В отличие от классов, использование публичных полей в структурах в большинстве случаев не рекомендуется, потому что не существует способа контролирования значений в них. Например, кто-либо может установить значение минут или секунд более 60. Более правильный вариант в данном случае использовать свойства, а в конструкторе осуществить проверку:

В результате будет напечатано число часов: 6 (остаток от деления 30 на 24).
Заменим конструктор Time(…) конструктором без параметров:

Причина возникновения ошибки в том, что вы не можете использовать конструктор по умолчанию (без параметров) для структуры, потому что компилятор всегда генерирует его сам.

Что же касается класса, то компилятор создает конструктор по умолчанию только в том случае, если Вы его не создали. При объявлении класса нет проблем создать собственный конструктор без параметров (замените в программе ключевое слово struct на class, вы получите результат — 7).

Это означает, что был сгенерирован конструктор (без параметров) для структуры, который всегда устанавливает поля в 0, false или null (для объектов) – как и для классов. Поэтому Вы можете быть уверенными в том, что созданная структура всегда будет вести себя адекватно в соответствии со значениями по умолчанию в используемых типах.

Если Вы не хотите использовать значения по умолчанию, то можете инициализировать поля своими значениями в конструкторе с параметрами для инициализации.

Однако если в этом конструкторе не будет инициализировано какое-нибудь значение, компилятор не будет его инициализировать и покажет ошибку.

Два правила структур

Первое правило структуры: Всегда все переменные должны быть инициализированы.
В классах Вы можете инициализировать значение полей непосредственно при их объявлении. В структурах такого сделать нельзя, и поэтому данный код вызовет ошибку при компиляции. Поэтому:

Второе правило структуры: Нельзя инициализировать переменные в том месте, где они объявляются.

Сравнение классов и структур в сжатом виде:

Вопрос	Структура	Класс
Какого же типа экземпляр объекта?	Значимый (value) тип	Ссылочный (reference) тип
Где “живут” экземпляры этих объектов?	Экземпляры структуры называют значениями и “живут” они в стеке (stack).	Экземпляры классов называют объектами и “живут” они в куче (heap).
Можно ли создать конструктор по умолчанию?	Нет	Да
Если создается свой конструктор, будет ли компилятор генерировать конструктор по умолчанию?	Да	Нет
Если в своём конструкторе не будут инициализированы некоторые поля, будут ли они автоматически инициализированы компилятором?	Нет	Да
Разрешается ли инициализировать переменные там, где их объявляют?	Нет	ДА

К особенностям структур можно отнести еще и тот факт, что вследствие того, что структуры являются значимым типом, то можно создать структуру без использования конструктора, например:

В таком случае, переменная t создается, но поля не будут инициализированы конструктором (нет оператора Time t = new Time();). Правда, теперь поля структуры придется объявлять только с модификатором public.

Замечания, над которыми стоит подумать (проверить практикой):

2. Дополнения: структуры не могут быть абстрактными, структуры не имеют деструкторов, структуры не поддерживают наследование.

3. Главное отличие структур и классов: структуры передаются по значению (то есть копируются), объекты классов — по ссылке. Именно это является существенным различием в их поведении, а не то, где они хранятся.

4. Структуру тоже можно передать по ссылке, используя модификаторы out и ref.

Ответ: 400016 байт. Конец примечания.

Теперь после обсуждения структур перейдем к рассмотрению массивов — важнейших конструкций данных, всегда размещаемых в управляемой куче и являющихся объектами.

Программирование и разработка

Структуры данных важны в компьютерном программировании для быстрой и эффективной организации, управления и хранения данных. Структуры данных — это абсолютно необходимый навык для любого разработчика, который должен быть в своем наборе инструментов.

Что такое куча (heaps)?

Куча (heaps) — это расширенная древовидная структура данных, используемая в основном для сортировки и реализации очередей приоритетов. Это полные бинарные деревья, которые имеют следующие особенности:

Заполнены все уровни, кроме листовых узлов (узлы без дочерних узлов называются листьями).
Каждый узел имеет максимум 2 дочерних элемента.
Все узлы расположены как можно дальше слева, это означает, что каждый дочерний элемент находится слева от своего родителя.

Пример максимальной кучи

В кучах используются полные двоичные деревья, чтобы избежать дыр в массиве. Полное двоичное дерево — это дерево, в котором каждый узел имеет не более двух дочерних элементов, а узлы на всех уровнях заполнены, за исключением конечных узлов, которые могут быть пустыми. Кучи строятся на основе свойства кучи, которое сравнивает ключ родительского узла с ключами его дочернего узла.

В более поздней части этой статьи мы подробно обсудим Min Heap, построенный на свойстве Min Heap, и Max Heap, построенный на свойстве Max Heap.

Важно отметить, что кучи не всегда сортируются, ключевое условие, которому они следуют, заключается в том, что наибольший или наименьший элемент размещается на корневом узле (вверху) в зависимости от того, является ли это максимальной или минимальной кучей. Структура данных кучи отличается от кучи памяти.

Плюсы и минусы Heaps

Плюсы

Сборка мусора выполняется в памяти кучи, чтобы освободить память, используемую объектом.
Кучи гибки, поскольку память может выделяться или удаляться в любом порядке.
Доступ к переменным можно получить глобально.
Это помогает найти минимальное и максимальное количество.

Минусы

По сравнению со стеками, куча требует больше времени для выполнения.
В динамической памяти управление памятью сложнее, поскольку она используется глобально.
Обычно для вычисления кучи требуется больше времени.

Применение структуры данных кучи

Кучи эффективны для поиска минимального или максимального элемента в массиве и полезны в статистике порядка и алгоритмах выбора. Временная сложность получения минимального / максимального значения из кучи составляетО (1)О ( 1 ), (постоянная временная сложность).

Очереди с приоритетом разработаны на основе структур кучи. ЗанимаетO (журнал (n))O ( l o g ( n ) )время для эффективной вставки ( insert()) и удаления ( delete()) каждого элемента в приоритетной очереди.

Очереди приоритетов, реализованные в куче, используются в популярных алгоритмах, таких как:

Алгоритм Прима
Алгоритм Дейкстры
Алгоритм Heapsort

Основные операции в кучах

Ниже перечислены основные операции, которые вы можете использовать при реализации структуры данных кучи:

heapify: переупорядочивает элементы в куче, чтобы сохранить свойство кучи.
insert: добавляет элемент в кучу, сохраняя его свойство кучи.
delete: удаляет элемент из кучи.
extract: возвращает значение элемента и затем удаляет его из кучи.
isEmpty: boolean, возвращает true, если boolean пусто, и false, если есть узел.
size: возвращает размер кучи.
getMax(): возвращает максимальное значение в куче

Как создать максимальную кучу

Элементы в максимальной куче следуют свойству максимальной кучи. Это означает, что ключ на родительском узле всегда больше ключа на обоих дочерних узлах. Чтобы создать максимальную кучу, вы:

Создайте новый узел в начале (корне) кучи.
Присвойте ему значение.
Сравните значение дочернего узла с родительским узлом.
Меняйте местами узлы, если значение родительского элемента меньше, чем значение любого дочернего элемента (слева или справа).
Повторяйте, пока самый большой элемент не окажется в корневых родительских узлах (тогда вы можете сказать, что свойство heap сохраняется).

Эти шаги также можно выполнить при вставке новых элементов в кучу. Ключевым моментом здесь является то, что какая бы операция ни выполнялась с Max Heap, свойство кучи должно сохраняться.

Чтобы удалить / удалить корневой узел в Max Heap, вы:

Удалите корневой узел.
Переместите последний дочерний узел последнего уровня в корневой.
Сравните родительский узел с его дочерними узлами.
Если значение родительского узла меньше дочерних узлов, поменяйте их местами и повторяйте, пока свойство кучи не будет удовлетворено.

Давайте посмотрим, как это выглядит в коде. В следующем разделе мы реализуем максимальную кучу с помощью JavaScript.

Реализация максимальной кучи в JavaScript

Прежде чем мы перейдем к созданию Max Heap, взглянем на некоторые методы, которые мы реализуем, и на то, что они делают:

_percolateUp(): восстанавливает свойство кучи с дочернего узла на корневой узел.
_maxHeapify(): восстанавливает свойство кучи от определенного узла до конечных узлов.
insert(): добавляет заданное значение в массив кучи и переупорядочивает элементы на основе их свойства кучи. На каждой новой вставке куча увеличивается равномерно, а размер увеличивается на единицу.
getMax(): возвращает максимальное значение в куче (корневой узел) без изменения кучи. Обратите внимание, что временная сложность здесь — постоянное времяО (1)О ( 1 )
removeMax(): возвращает и удаляет максимальное значение в куче (подумайте pop()). Временная сложность этой функции находится вO (журнал (n))O ( l o g ( n ) ).

Если размер кучи больше единицы, он сохраняет максимальное значение в переменной, меняет местами это значение с последним листом и удаляет максимальное значение из кучи.

Если куча имеет только один элемент, она удаляет и возвращает значение этого элемента, последним условием является то, что если куча пуста, она возвращает null.

__percolateUp()Метод вызывается рекурсивно на каждом узле до тех пор, родительский корень не будет достигнут. Для каждого узла, который будет позиционироваться после свойства max-heap, мы вызываем __maxHeapify()метод для каждого индекса этого массива, начиная с нижней части кучи.

Дерево структуры данныхВведено, что такое дерево, и реализация бинарного дерева. Помните три особые структуры деревьев? Совершенное двоичное дерево, полное двоичное дерево и полное двоичное дерево. Представленная здесь структура кучи представляет собой полное двоичное дерево. Куча может быть разделена на максимальную кучу и минимальную кучу, разница в том, больше ли родительский узел, чем все дочерние узлы. Родительский узел самой большой кучи больше, чем его дочерние узлы, а дочерний узел самой маленькой кучи больше, чем родительский узел. Глядя на картинку, есть четкое понимание:

Куча может быть реализована с использованием списка, который должен хранить значения каждого узла в массиве в порядке их обхода. Между родительским узлом и дочерним узлом существует следующая связь:

Где i представляет индекс в массиве, если значения left и right превышают индекс массива, это означает, что этот узел не существует.

(1) Вставьте значение в кучу, операция подъема:

Чтобы добавить элемент в максимальную кучу, мы используем метод append (), чтобы добавить значение в конец массива непосредственно при использовании реализации массива. В это время нам нужно поддерживать характеристики максимальной кучи, как показано ниже. Новое добавленное значение 90 сначала помещается в конец кучи, а затем сравнивается со значением родительского узла. Если оно больше, чем значение родительского узла, позиция обменивается.
Проблема, связанная с этим, заключается в связи между дочерними узлами и родительскими узлами.

Используя рекурсивный подход, сравните вверх до корневого узла.

(2) Получить или удалить корневой узел, операция понижения;

Когда мы извлекаем максимальное или минимальное значение из кучи, чтобы сохранить характеристики кучи, нам нужно использовать операцию sift-down. Поскольку максимальное значение максимальной кучи и минимальная куча находятся в корневом узле, после получения и возврата значения корневого узла, чтобы сохранить характеристики кучи, мы сначала помещаем значение в последней позиции в корневой узел. Затем сравните его с размером трех значений в двух дочерних узлах, выберите наибольшее значение и поместите в родительский узел. Таким же образом мы также используем рекурсивные методы для сравнения вниз. Здесь есть две проблемы:

Определите положение дочернего узла в соответствии с родительским узлом:

Позиция обмена должна соответствовать нескольким условиям, таким как условия обмена с левым дочерним узлом:

Есть левый дочерний узел,
Левый дочерний узел больше правого дочернего узла,
Левый дочерний узел больше родительского узла

Используйте Python для реализации структуры кучи. Здесь реализована максимальная куча. В ней используется реализуемый вами массив. Вы можете понимать его как список.
Поскольку я смотрел видеоурок, я скопировал и вставил код учителя [здесь】。

Максимальная куча

Минимальная куча

Куча, предоставляемая этим модулем, является минимальной кучей, а значение индекса начинается с 0. Во многих учебниках в качестве примера обучения используется максимальная куча, поскольку ее сортировка стабильна, а сортировка минимальной кучи нестабильна.
Чтобы создать кучу в Python, вы можете напрямую использовать метод создания списка H = [] или использовать функцию heapify (), чтобы превратить существующий список в кучу.

Двоичная куча представляет собой полное бинарное дерево, для которого выполняется основное свойство кучи: приоритет каждой вершины больше приоритетов её потомков.

В простейшем случае приоритет каждой вершины можно считать равным её значению. В таком случае структура называется max-куча , поскольку корень поддерева является максимумом из значений элементов поддерева.

В качестве альтернативы, если сравнение перевернуть, то наименьший элемент будет всегда корневым узлом, такие кучи называют min-кучами .

Двоичную кучу удобно хранить в виде одномерного массива, причем

левый потомок вершины с индексом i имеет индекс 2*i+1 ,
правый потомок вершины с индексом i имеет индекс 2*i+2 .

Корень дерева (кучи) – элемент с индексом 0.

Высота двоичной кучи равна высоте дерева, то есть

где N – количество элементов массива, ↑ – округление в большую сторону до ближайшего целого.

Для представленной кучи

log₂ (10+1)↑ = 3,46↑ = 4

Способ построить кучу из неупорядоченного массива – это по очереди добавить все его элементы. Временная оценка такого алгоритма оценивается как

Можно построить кучу за N шагов. Для этого сначала следует построить дерево из всех элементов массива, не заботясь о соблюдении основного свойства кучи, а потом вызвать метод упорядочения для всех вершин, у которых есть хотя бы один потомок (так как поддеревья, состоящие из одной вершины без потомков, уже упорядочены).

Потомки гарантированно есть у первых heapSize/2 вершин, где heapSize – размер кучи.

Реализация класса кучи

class Heap <
static const int SIZE = 100; // максимальный размер кучи
int *h; // указатель на массив кучи
int HeapSize; // размер кучи
public :
Heap(); // конструктор кучи
void addelem( int ); // добавление элемента кучи
void outHeap(); // вывод элементов кучи в форме кучи
void out(); // вывод элементов кучи в форме массива
int getmax(); // удаление вершины (максимального элемента)
void heapify( int ); // упорядочение кучи
>;

Конструктор кучи

Добавление элемента кучи

Новый элемент добавляется на последнее место в массиве, то есть позицию с максимальным индексом.

void Heap :: addelem( int n) <
int i, parent;
i = HeapSize;
h[i] = n;
parent = (i-1)/2;
while (parent >= 0 && i > 0) <
if (h[i] > h[parent]) <
int temp = h[i];
h[i] = h[parent];
h[parent] = temp;
>
i = parent;
parent = (i-1)/2;
>
HeapSize++;
>

Вывод элементов кучи

Вывод элементов в форме кучи

void Heap:: outHeap( void ) <
int i = 0;
int k = 1;
while (i while ((i h[i] " " ;
i++;
>
cout endl;
k = k * 2 + 1;
>
>

Вывод элементов кучи в форме массива

void Heap:: out( void ) <
for ( int i=0; i h[i] " " ; >
cout endl;
>

Упорядочение кучи

void Heap:: heapify( int i) <
int left, right;
int temp;
left = 2*i+1;
right = 2*i+2;
if (left if (h[i] if (right if (h[i]

Создать бинарную кучу из 16 элементов. Определить максимальный элемент.

int main() <
Heap heap;
int k;
system( "chcp 1251" );
system( "cls" );
for ( int i=0; i "Введите элемент " i+1 ": " ;
cin >> k;
heap.addelem(k);
>
heap.outHeap();
cout endl;
heap.out();
cout endl "Максимальный элемент: " heap.getmax();
cout endl "Новая куча: " endl;
heap.outHeap();
cout endl;
heap.out();
cout endl "Максимальный элемент: " heap.getmax();
cout endl "Новая куча: " endl;
heap.outHeap();
cout endl;
heap.out();
cin.get();cin.get();
return 0;
>

Результат выполнения

Вопрос по функции "addelem". Разве мы не можем после "if" добавить "else break;"? Если можем - почему не добавить? просто с Вашей реализацией даже при добавлении самого маленького элемента цикл всё равно будет проходить до корня дерева, но зачем нам это? Или я что-то упустил?

Для нулевого элемента потомки имеют номера 2*0+1=1 и 2*0+2=2. Для элемента 1 потомки имеют номера 2*1+1=3 и 2*1+2=4. Так для каждого.

Читайте также: