Tema4 programación generica

Programación Avanzada - Tema 4: Programación Genérica

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José Luis Llopis Borrás

22 de septiembre de 2010

Índice

1. Introducción 4

2. Funciones genéricas 5
2.1. Deﬁnición e instanciación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Restricciones de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3. Especialización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4. Sobrecarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Clases genéricas 16
3.1. Deﬁnición de métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. Organización del código fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3. Parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4. Herencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4. Introducción a la STL 32
4.1. Contenedores secuenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1.1. Instanciación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.2. Operaciones comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2. Algoritmos genéricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.1. Aritmética de punteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2. Iteradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3. Algoritmos genéricos en la biblioteca STL . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.4. Ejemplos de utilización de algoritmos genéricos . . . . . . . . . . 48

1 Introducción
® Ciertos algoritmos son independientes del tipo de datos sobre los que operan.
µ Ejemplo: el cálculo del menor de dos valores enteros es idéntico al cálculo del
menor (alfabéticamente) de dos strings:
int min(int a, int b) { return a<b ? a : b; }
string min(string a, string b) { return a<b ? a : b; }
µ Implementaremos estos algoritmos con funciones genéricas.

® Ciertos tipos de datos pueden deﬁnirse de forma independiente (de al menos
alguno) de los tipos de datos que manipulan.
µ Ejemplo: la implementación de una lista de enteros sólo diﬁere de la de una
lista de strings en el tipo de información que almacena.
µ Implementaremos estos tipos de datos con clases genéricas.

® La genericidad es un potente mecanismo que permite la reutilización de código.
Programación Avanzada - Tema 4: Programación Genérica – 4

2 Funciones genéricas
® Supongamos que debemos implementar una función que imprima en la salida
estándar los valores de un array de enteros:
void i m p r i m i r ( i n t v [ ] , i n t t a l l a ) {
c o u t < < "[ " ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
cout < < v [ i ] < < " " ;
c o u t < < "]" < < e n d l ;
}

i n t main ( ) {
i n t v1 [ 5 ] = { 5 , 2 , 3 , 4 , 1 } ;
i m p r i m i r ( v1 , 5 )
}

[ 5 2 3 4 1 ]

2 Funciones genéricas (II)
® ...y más tarde necesitamos implementar otra función que imprima los valores de un
array de números reales:
void i m p r i m i r ( f l o a t v [ ] , i n t t a l l a ) {
c o u t < < "[ " ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
cout < < v [ i ] < < " " ;
c o u t < < "]" < < e n d l ;
}

i n t main ( ) {
f l o a t v2 [ 3 ] = { 3 . 3 , 1 , 0 . 9 9 } ;
i m p r i m i r ( v2 , 3 )
}

[ 3.3 1 0.99 ]

® Las dos versiones sólo se diferencian en el tipo base del array.

2.1 Deﬁnición e instanciación

® Implementamos una función genérica como única versión:
t e m p l a t e < class T > void i m p r i m i r ( T v [ ] , i n t t a l l a ) {
c o u t < < "[ " ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
cout < < v [ i ] < < " " ;
c o u t < < "]" < < e n d l ;
}

i n t main ( ) {
i n t v1 [ 5 ] = { 5 , 2 , 3 , 4 , 1 } ;
f l o a t v2 [ 3 ] = { 3 . 3 , 1 , 0 . 9 9 } ;
i m p r i m i r ( v1 , 5 ) ;
i m p r i m i r ( v2 , 3 ) ;
}

[ 5 2 3 4 1 ]
[ 3.3 1 0.99 ]

2.1 Definición e instanciación (II)

® El compilador utiliza el código de la función genérica como plantilla para crear
automáticamente dos funciones sustituyendo T por un tipo concreto:
µ Con T=int se crea la función void imprimir(int v[], int talla) para satisfacer la
llamada a imprimir(v1, 5).
µ Con T=float se crea la función void imprimir(float v[], int talla) para satisfacer
la llamada a imprimir(v2, 3).

® Esta operación recibe el nombre de instanciación.


2.1 Deﬁnición e instanciación (III)

® Vamos a añadir una función genérica
i n t main ( ) {
que permita la ordenación de arrays:
i n t v1 [ 5 ] = { 5 , 2 , 3 , 4 , 1 } ;
ordenar ( v1 , 5 ) ; / / T= i n t
t e m p l a t e < class T> i m p r i m i r ( v1 , 5 ) ; / / T= i n t
void i n t e r c a m b i a r ( T & ip1 , T & i p 2 ) {
T aux ; f l o a t v2 [ 3 ] = { 3 . 3 , 1 . 0 , 0 . 9 9 } ;
aux = i p 1 ; ordenar ( v2 , 3 ) ; / / T= f l o a t
ip1 = ip2 ; i m p r i m i r ( v2 , 3 ) ; / / T= f l o a t
i p 2 = aux ;
} char v3 [ 5 ] = { ’e’ , ’o’ , ’a’ , ’u’ , ’i’ } ;
/ / ordenación ascendente método b u r b u j a ordenar ( v3 , 5 ) ; / / T=char
t e m p l a t e < class T> i m p r i m i r ( v3 , 5 ) ; / / T=char
void ordenar ( T v [ ] , i n t t a l l a ) { }
f o r ( i n t i = t a l l a − 1; i > = 1 ; i −−)
f o r ( i n t j = 0 ; j v [ j +1])
[ 0.99 1 3.3 ]
intercambiar ( v [ j ] , v [ j +1]) ;
[ a e i o u ]
}

2.1 Definición e instanciación (IV)

® En la implementación de la función genérica imprimir() la única operación que
realizamos sobre valores de tipo T es la de salida de datos: cout << v[i]
µ El compilador necesita de esa operación para crear instancias de la función.
µ Esto impone una restricción sobre las posibles instancias: sólo se admitirán
aquellos tipos T para los que la operación de salida << esté definida.

® ¿Qué restricciones impone las funciones genéricas ordenar() e intercambiar()?
µ En la función ordenar() se necesita el operador > entre valores de tipo T.
µ En la función intercambiar() se necesita que el operador = (asignación) esté
correctamente definido entre valores de tipo T.
µ En la función intercambiar() se necesita que un constructor sin argumentos
que permita crear objetos de tipo T (constructor por omisión).

2.2 Restricciones de uso

® Teniendo en cuenta las restricciones mencionadas antes, ¿podemos instanciar
imprimir() y ordenar() para arrays de objetos de la clase Cadena (tal y como la
deﬁnimos en el Tema 2)?
Cadena v4 [ 3 ] = { "tigre" , "gato" , "leon" } ;
ordenar ( v4 , 3 ) ;
i m p r i m i r ( v4 , 3 ) ;

® Para la función imprimir() no hay problema puesto que existe la función:
ostream & operator < < ( ostream & canal , const Cadena & c ) ;

® Para la función intercambiar() tampoco, puesto que la asignación entre cadenas
está deﬁnida:
Cadena & Cadena : : operator = ( const Cadena & c ) ;

2.2 Restricciones de uso (II)

® Sin embargo, la función ordenar() necesita una función no deﬁnida en la clase
Cadena:
bool Cadena : : operator > ( const Cadena & c ) const ;

® El compilador nos informa del error:
t e s t . cpp : I n f u n c t i o n ‘ void ordenar ( T ∗ , i n t ) [ w i t h T = Cadena ] ’:
test.cpp:247: instantiated from here
test.cpp:218: no match for ‘Cadena& > Cadena&’ operator


2.3 Especialización

® Para solucionar el problema, deﬁnimos una nueva versión no genérica de
ordenar() para arrays de objetos de tipo Cadena. Este proceso recibe el nombre
de especialización.
/ / e s p e c i a l i z a c i ó n para a r r a y s de cadenas
void ordenar ( Cadena v [ ] , i n t t a l l a ) {
f o r ( i n t i = t a l l a − 1; i > = 1 ; i −−)
f o r ( i n t j = 0 ; j 0)
intercambiar ( v [ j ] , v [ j +1]) ;
}

i n t main ( ) {
Cadena v4 [ 3 ] = { "tigre" , "gato" , "leon" } ;
ordenar ( v4 , 3 ) ;
i m p r i m i r ( v4 , 3 ) ;
}

[ gato l e o n t i g r e ]

2.3 Especialización (II)

® Observa que en la función ordenar() accedemos a la parte privada de la clase
Cadena en las expresiones v[j].str y v[j+1].str. Por tanto deberemos declarar la
función ordenar() como friend de Cadena.

® En este ejemplo concreto, podemos optar por una segunda solución que no
necesita especializar la función genérica ordenar(): podemos simplemente dotar a
la clase Cadena del operador >.
class Cadena {
...
public :
...
bool operator >( const Cadena & s ) const ;
};

bool Cadena : : operator >( const Cadena & s ) const {
r e t u r n ( strcmp ( s t r , s . s t r ) >0) ? t r u e : f a l s e ;
}


2.4 Sobrecarga

® Las funciones genéricas pueden ser
template < class T>
sobrecargadas de la misma forma
T min ( T a , T b ) {
que las funciones ordinarias. r e t u r n ( a
de la derecha). T1 min ( T1 a , T2 b ) {
// ...
µ Al menos alguno de los }
parámetros de la función debe ser
genérico, si no, el compilador no template < class T > / / i n c o r r e c t o

puede saber cómo instanciar el T min ( i n t a , i n t b ) {
r e t u r n ( a<b ? a : b ) ;
tipo T (tercer ejemplo de la }
derecha).

3 Clases genéricas
Una clase genérica es una plantilla de deﬁnición de una clase que puede ser
instanciada en múltiples versiones concretas.

® Declaramos la clase genérica Vector que almacena valores de tipo T:
t e m p l a t e < class T>
class V e c t o r {
T ∗ v;
int t a l l a ;
public :
Vector ( i n t ) ;
V e c t o r ( const Vector <T> & ) ;
~Vector ( ) ;
Vector <T > & operator =( const Vector <T > & ) ;

T & operator [ ] ( i n t ) ;
void i m p r i m i r ( ) const ;
i n t T a l l a ( ) const { r e t u r n t a l l a ; }
};

3 Clases genéricas (II)
® Podemos instanciar la clase Vector para T=int o T=Cadena:
i n t main ( ) {
Vector v I n t ( 3 ) ; / / I n s t a n c i a c i ó n : T= i n t
f o r ( i n t i = 0 ; i < v I n t . T a l l a ( ) ; i ++)
cin > > vInt [ i ] ;
vInt . imprimir () ;

Vector <Cadena > vCad ( 3 ) ; / / I n s t a n c i a c i ó n : T=Cadena
f o r ( i n t i = 0 ; i <vCad . T a l l a ( ) ; i ++)
c i n > > vCad [ i ] ;
vCad . i m p r i m i r ( ) ;
}

3 4 5
[ 3 4 5 ]
h o l a que t a l
[ h o l a que t a l ]

3.1 Deﬁnición de métodos

® Las funciones miembro de una clase genérica son, a su vez, funciones
genéricas.

® Atención: la clase Vector no existe como tal, sólo es una plantilla. Hay que
escribir, por tanto, Vector<T>.
t e m p l a t e < class T > / / c o n s t r u c t o r
Vector <T > : : V e c t o r ( i n t t ) {
talla = t ;
v=new T [ t a l l a ] ;
}

t e m p l a t e < class T > / / c o n s t r u c t o r c o p i a
Vector <T > : : V e c t o r ( const Vector <T > & unVector ) {
t a l l a = unVector . t a l l a ;
v = new T [ t a l l a ] ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
v [ i ] = unVector . v [ i ] ;
}

3.1 Deﬁnición de métodos (II)

t e m p l a t e < class T > / / d e s t r u c t o r
Vector <T > : : ~ V e c t o r ( ) {
delete [ ] v ;
}

t e m p l a t e < class T > / / operador a s i g n a c i ó n
Vector <T > & Vector <T > : : operator =( const Vector <T > & unVector ) {
i f ( t h i s ! = & unVector ) {
i f ( t a l l a ! = unVector . t a l l a ) {
delete [ ] v ;
t a l l a = unVector . t a l l a ;
v = new T [ t a l l a ] ;
}
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
v [ i ] = unVector . v [ i ] ;
}
return ∗ this ;
}

3.1 Deﬁnición de métodos (III)

t e m p l a t e < class T > / / operador s u b í n d i c e
T & Vector <T > : : operator [ ] ( i n t i ) {
return v [ i ] ;
}

t e m p l a t e < class T > / / f u n c i ó n i m p r i m i r ( )
void Vector <T > : : i m p r i m i r ( ) const {
c o u t < < "[ " ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < t a l l a ; i ++)
cout < < v [ i ] < < " " ;
c o u t < < "]" < < e n d l ;
}

3.2 Organización del código fuente

El modelo tradicional de organización de
código fuente —modelo de compilación Listado 1: MiClaseGenerica.h
separada—, no funciona con módulos template <class T>
que contienen clases genéricas. class MiClaseGenerica {
private :
® Recuerda que este modelo T dato ;
public :
consistente en separar la declaración
MiClaseGenerica ( T ) ;
y la implementación de un módulo void i m p r i m i r ( ) const ;
(clase) en dos ﬁcheros separados, };

con extensiones .h y .cpp
respectivamente.

® Veamos el ejemplo de la clase
MiClaseGenerica a continuación.

3.2 Organización del código fuente (II)

Listado 2: MiClaseGenerica.cpp Listado 3: TestMiClaseGenerica.cpp
# include "MiClaseGenerica.h" # include "MiClaseGenerica.h"
# include < iostream >
using namespace s t d ; i n t main ( ) {
MiClaseGenerica a(123) ;
template < class T> MiClaseGenerica < f l o a t > b ( 3 . 1 4 1 6 ) ;
MiClaseGenerica <T > : : MiClaseGenerica ( T x ) MiClaseGenerica <char > c ( ’#’ ) ;
: dato ( x )
{ } a . imprimir () ;
b . imprimir () ;
template < class T> c . imprimir () ;
void MiClaseGenerica <T > : : i m p r i m i r ( ) const { }
c o u t < < dato < < e n d l ;
}

3.2 Organización del código fuente (III)

® Efectivamente, ¡la compilación falla!

Listado 4: Resultado de la compilación
$ g++ − c MiClaseGenerica . cpp
$ g++ − c TestMiClaseGenerica . cpp
$ g++ − o Test MiClaseGenerica . o TestMiClaseGenerica . o
/ u s r / b i n / l d : Undefined symbols :
MiClaseGenerica <char > : : MiClaseGenerica ( char )
MiClaseGenerica < f l o a t > : : MiClaseGenerica ( f l o a t )
MiClaseGenerica : : MiClaseGenerica ( i n t )
MiClaseGenerica <char > : : i m p r i m i r ( ) const
MiClaseGenerica < f l o a t > : : i m p r i m i r ( ) const
MiClaseGenerica : : i m p r i m i r ( ) const
c o l l e c t 2 : ld returned 1 e x i t status

3.2 Organización del código fuente (IV)

® ¿Por qué falla el modelo de compilación separada?
µ Un clase genérica (template) no es una clase, sino un patrón que el compilador
usa para generar una o más clases.
µ Para que el compilador pueda generar código, debe ver a la vez la
implementación de la clase (no sólo la declaración) y los tipos específicos
usados para instanciar el patrón.
ª Si deseamos usar MiClaseGenerica<int>, el compilador necesita ver a la
vez la implementación de la clase MiClaseGenerica<T> y el lugar donde
instanciamos T como int.
ª La implementación de MiClaseGenerica<T> está en un fichero y el lugar
donde instanciamos T en otro fichero. Ambos ficheros se compilan
separadamente y, por tanto, el compilador no sabe que tipo concreto es T
cuando compila la clase genérica, así que no genera ningún código.

3.2 Organización del código fuente (V)

® Existen 3 soluciones al problema:
1. Mover físicamente la implementación de la clase al ﬁchero .h, con lo que
declaración e implementación estarán en el mismo lugar.
2. (Recomendada) Dejar por separado declaración e implementación, pero incluir
la implementación (ﬁchero .cpp) donde se realiza la instanciación:

TestMiClaseGenerica.cpp
# include "MiClaseGenerica.cpp"
...

3. Utilizar la palabra reservada export. Hacer un compilador que la soporte es
muy complicado. Sólo uno lo ha hecho: Comeau C++, pero no GCC.

MiClaseGenerica.h
export template <class T > class MiClaseGenerica {
...

3.3 Parámetros

® Las clases genéricas pueden tomar dos tipos de parámetros:
µ Tipos genéricos, como los identiﬁcadores T, T1, T2, TipoBase, etc.
µ Tipos ordinarios, como los tipos int o char.

® En el siguient ejemplo deﬁnimos la clase VectorEstatico para almacener vectores
cuya talla es conocida en tiempo de compilación.

Clase VectorEstatico: declaración
template / / Parámetros : t i p o o r d i n a r i o i n t y t i p o g e n é r i c o T
class V e c t o r E s t a t i c o {
T v [ tam ] ;
public :
void i m p r i m i r ( ) const ;
};

3.3 Parámetros (II)

® ...y aquí está la implementación:

Clase VectorEstatico: implementación
template 
void V e c t o r E s t a t i c o <tam , T > : : i m p r i m i r ( ) const {
c o u t < < "[ " ;
f o r ( i n t i = 0 ; i <tam ; i ++)
cout < < v [ i ] < < " " ;
c o u t < < "]" < < e n d l ;
}

template 
T & V e c t o r E s t a t i c o <tam , T > : : operator [ ] ( i n t i ) {
return v [ i ] ;
}

3.3 Parámetros (III)

® La instanciación de clases con parámetros constantes se realiza así:
i n t main ( ) {
V e c t o r E s t a t i c o <3 , i n t > v 3 I n t ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < 3 ; i ++)
cin > > v3Int [ i ] ;
v3Int . imprimir () ;

V e c t o r E s t a t i c o <5 , i n t > v 5 I n t ;
f o r ( i n t i = 0 ; i < 5 ; i ++)
cin > > v5Int [ i ] ;
v5Int . imprimir () ;
}

® Atención: los tipos de las variables v3Int y v5Int son diferentes e incompatibles:
µ v3Int es del tipo VectorEstatico de 3 componentes enteras.
µ v5Int es del tipo VectorEstatico de 5 componentes enteras.

3.4 Herencia

Podemos derivar clases genéricas de otras clases genéricas.

® Ejemplo: deﬁnimos la clase VectorSeguro como especialización de Vector. Ahora
el operator[] comprobará si el índice está fuera de rango.

Clase VectorSeguro: declaración
template < class T>
class VectorSeguro : public Vector <T > {
public :
VectorSeguro ( i n t i ) : Vector <T>( i ) { }
};

® Observa que usamos la lista de inicialización para pasar un argumento al
constructor de la clase base.

3.4 Herencia (II)

® Observa que en la sentencia return llamamos a la función operator[ ] de la clase
base.

Clase VectorSeguro: implementación
template < class T>
T & VectorSeguro <T > : : operator [ ] ( i n t i ) {
i f ( i < 0 | | i > t h i s −>T a l l a ( ) ) {
c e r r < < "Error: Indice fuera de rango" < < e n d l ;
exit (1) ;
}
r e t u r n Vector <T > : : operator [ ] ( i ) ;
}

3.4 Herencia (III)

® Probamos la clase VectorSeguro:
i n t main ( ) {
VectorSeguro v ( 3 ) ;

f o r ( i n t i = 0 ; i <v . T a l l a ( ) ; i ++)
cin > > v [ i ] ;
v . imprimir () ;

v [10]=33;
}

7 8 9
[ 7 8 9 ]
E r r o r : I n d i c e f u e r a de rango

4 Introducción a la STL
La biblioteca estándar de plantillas (STL) contiene componentes genéricos de
(básicamente) dos tipos:

® Contenedores
µ Son clases genéricas que sirven para almacenar (contener) colecciones de
elementos de algún tipo. Ejemplos: vector, list, set, map, etc.

® Algoritmos genéricos
µ Son operaciones aplicables a los contenedores y los arrays.
µ Son independientes del tipo de datos concreto sobre el que operan (int, char,
string, . . . ). Por ello están implementadas usando funciones genéricas.
µ Son independientes del tipo de contenedor en que los elementos están
almacenados (array, list, vector, set, . . . ). Esta independencia se consigue
gracias a que no operan directamente sobre ellos, sino a través de iteradores.


4.1 Contenedores secuenciales

Un contenedor secuencial contiene una colección ordenada de elementos de un
mismo tipo. Veamos dos de los más importantes:

® vector
µ Mantiene sus elementos en un área contigua de memoria.
µ El acceso aleatorio es eficiente: es igual de rápido acceder al elemento 5o que
al 17o o al 9o .
µ El operador de subíndice [ ] permite acceder a sus componentes.
µ Sin embargo, la inserción de un elemento en cualquier posición que no sea la
última es ineficiente ya que implica el desplazamiento de los elementos a la
derecha del insertado.
µ Por el mismo motivo, el borrado de un elemento distinto del último es también
ineficiente.


4.1 Contenedores secuenciales (II)

® list
µ Mantiene sus elementos en áreas de memoria no contigua (concretamente,
nodos doblemente enlazados).
µ La inserción y borrado de elementos en cualquier posición es eﬁciente.
µ Sin embargo, el acceso aleatorio es menos eﬁciente: para acceder al elemento
5o , 17o y 9o hay que visitar todos los intermedios.


4.1.1 Instanciación

® Para usar un contenedor secuencial, debemos incluir el ﬁchero de cabecera
asociado:
#include <vector>
#include <list>
® Disponemos de cinco modos de instanciar un objeto contenedor secuencial:
1. Crear un contenedor vacío:
vector<int> v1;
list<Complejo> lista1;
2. Crear un contenedor de algún tamaño no necesariamente constante. Cada
elemento se inicializa con el valor por defecto (los int o double con cero):
vector<int> v2 (100);
list<Cadena> lista2 (talla);

4.1.1 Instanciación

3. Crear un contenedor de un tamaño y valor inicial dado:
vector<string> v3 (16, "una cadena" );
list<float> lista3 (100, 3.1416 );
4. Crear un contenedor como copia de otro:
vector<string> v4 (v3);
list<float> lista4 (lista3);
5. Crear un contenedor usando un par de iteradores. (Más adelante volveremos a
tratar este asunto).

4.1.2 Operaciones comunes

® Algunas operaciones comunes:
µ ¿Qué talla tiene el contenedor? ¿Está vacío?: size() y empty()
µ La asignación, el test de igualdad y desigualdad: =, == y !=
µ Acceso al primer y último elemento: front() y back()
µ Inserción y borrado del último: push_back() y pop_back()

® El contenedor list, pero no el vector, permite además:
µ Inserción y borrado del primero: push_front() y pop_front()


4.1.2 Operaciones comunes (II)

Ejemplo de uso Salida
# include < iostream > 12
# include < l i s t > 45
using namespace s t d ; 33
111
i n t main ( ) { 35
l i s t <int > miLista ; int valor ; miLista = { 12 45 33 111 35 }
while ( c i n > > v a l o r )
m i L i s t a . push_back ( v a l o r ) ;
c o u t < < "miLista = { " ;
while ( ! m i L i s t a . empty ( ) ) {
cout < < miLista . f r o n t ( ) < < ’ ’ ;
miLista . pop_front ( ) ;
}
c o u t < < ’}’ < < e n d l ;
}

4.2 Algoritmos genéricos

Supongamos que necesitamos escribir una función que realice la búsqueda secuencial
de la primera aparición de un valor determinado en un contenedor vector y devuelva
un puntero a él o cero (NULL) si no se encuentra:
template < class T > const T ∗ f i n d ( const v e c t o r <T > & v , const T & v a l o r ) {
f o r ( i n t i = 0 ; i <v . s i z e ( ) ; i ++)
i f ( v [ i ]== v a l o r )
return & v [ i ] ;
r e t u r n NULL ;
}

® ¿Es posible modiﬁcar la función para que también funcione con arrays? ¿Y con
otros contenedores secuenciales?

® Si conseguimos estos dos objetivos habremos implementado un algoritmo
genérico de búsqueda secuencial aplicable a cualquier contenedor secuencial
incluyendo los arrays. El problema radica en encontrar un tratamiento común
para arrays y contenedores.

4.2.1 Aritmética de punteros

® Planteamos una versión de ﬁnd() para arrays:
template < class T>
T ∗ f i n d ( T ∗ v , i n t tam , const T & v a l o r ) {
i f ( ! v | | tam <1) r e t u r n 0 ;
f o r ( i n t i = 0 ; i <tam ; + + i , + + v )
i f ( ∗ v = = v a l o r ) return v ;
r e t u r n 0 ; / / NULL
}
v …

® Esta versión realiza bien su cometido pero hemos 0 1 2 … tam-1

tenido que introducir un nuevo argumento, tam (la talla
del array ), puesto que esa información es necesaria.

® Debemos evitar dicho parámetro ya que los
contenedores como vector o list ya contienen
internamente su talla.

4.2.1 Aritmética de punteros (II)

® Planteamos una segunda versión de ﬁnd() para arrays
en la que sustituimos el tamaño del array por un
puntero que sirve como centinela que marca el ﬁnal:
template < class T>
first last
T ∗ f i n d ( T ∗ f i r s t , T ∗ l a s t , const T & v a l o r ) {
if ( ! first || ! l a s t ) return 0 ;
while ( f i r s t ! = l a s t ) 1 3 5 7 11

i f ( ∗ f i r s t = = v a l o r ) return f i r s t ;
else ++ f i r s t ; array
r e t u r n 0 ; / / NULL array+5
}
last y array+5 apuntan al
elemento siguiente del
último, aunque no exista
i n t main ( ) {
int array [5]={1 ,3 ,5 ,7 ,11};
i f ( f i n d ( array , array +5 , 7) )
...

4.2.2 Iteradores

® Gracias a la aritmética de punteros hemos encontrado una buena estrategia para
pasar los argumentos a find(): utilizamos la dirección del primer elemento del array
y la del elemento siguiente al último.

® Para aplicar la misma estrategia a contenedores secuenciales, deberemos usar
una abstracción del concepto de puntero: el iterador:
µ Cada contenedor define el tipo: contenedor<tipobase>::iterator
µ Cada contenedor define las funciones begin() y end() que devuelven iteradores
que “apuntan” al primero y al siguiente del último elementos respectivamente.

4.2.2 Iteradores (II)

i n t main ( ) {
vector <int > v i ;
/ / . . . rellenamos v i vi
vector<int>
i f ( f i n d ( v i . begin ( ) , v i . end ( ) , 7 ) )
// ... ...

l i s t <int > l i ;
vi.begin() vi.end()
/ / . . . rellenamos l i vector<int>::iterator vector<int>::iterator
i f ( f i n d ( l i . begin ( ) , l i . end ( ) , 7 ) )
// ... li
} list<int>

® Aquí usamos una nueva versión de
li.begin() li.end()
ﬁnd() que utiliza iteradores en lugar list<int>::iterator list<int>::iterator

de punteros. Implementaremos esta
versión más adelante.

4.2.2 Iteradores (III)

® Los iteradores son objetos que
soportan el mismo conjunto de
# include < l i s t >
operaciones que los punteros: ++, u s i g n namespace s t d ;

*, == y != pero tienen una
i n t main ( ) {
implementación diferente para cada i n t primos [ 5 ] = { 1 , 3 , 5 , 7 , 1 1 } ;
contenedor.
l i s t l i ( primos , primos +5) ;
® En el ejemplo de la derecha, l i s t : : i t e r a t o r i t e r = l i . begin ( ) ;
c o u t < < "{ " ;
recorremos una lista usando un
while ( i t e r ! = l i . end ( ) ) {
iterador. cout < < ∗ i t e r < < " " ;
++ i t e r ;
® Observa que creamos el contendor li }
usando un par de iteradores (en este c o u t < < "}" < < e n d l ;
}
caso, punteros) sobre un array.

{ 1 3 5 7 11 }

4.2.2 Iteradores (IV)

® Volviendo a nuestra función find(), aquí tenemos la versión definitiva, válida para
todo tipo de contenedor secuencial y cualquier array : hemos conseguido un
algoritmo genérico usando iteradores como abstracción del concepto de puntero:
template < class I t e r a d o r , class T>
I t e r a d o r f i n d ( I t e r a d o r f i r s t , I t e r a d o r l a s t , const T & v a l o r ) {
while ( f i r s t ! = l a s t ) {
i f ( ∗ f i r s t == valor )
return f i r s t ;
f i r s t ++;
}
return l a s t ;
}

® Atención: Esta función find() es uno de los algoritmos genéricos de la biblioteca
estándar.

4.2.2 Iteradores (V)

i n t main ( ) { $ g++ − o prueba prueba . cpp
i n t primos [ 5 ] = { 1 , 3 , 5 , 7 , 1 1 } ; $ prueba
int ∗ ptr ; Encontrado 7
p t r = f i n d ( primos , primos + 5 , 7 ) ; No encontrado b o n j o u r
i f ( p t r ! = primos +5)
c o u t < < "Encontrado 7" < < e n d l ;
else
c o u t < < "No encontrado 7" < < e n d l ;

l i s t <string > ls ;
l s . p u s h _ f r o n t ( "hola" ) ;
l s . p u s h _ f r o n t ( "hello" ) ;
l i s t <string >:: i te r at or it ;
i t = f i n d ( l s . begin ( ) , l s . end ( ) , "bonjour" ) ;
i f ( i t ! = l s . end ( ) )
cout <<"Encontrado bonjour"<< e n d l ;
else
cout <<"No encontrado bonjour"<< e n d l ;
}

4.2.3 Algoritmos genéricos en la biblioteca STL

En la STL hay definidos más de 60 algoritmos genéricos:

® Algoritmos de búsqueda: find(), binary_search(), count(), search(), find_if(),
count_if(), . . .

® Algoritmos de ordenación: sort(), partial_sort(), merge(), reverse(), rotate(), . . .

® Algoritmos de copiado, borrado y sustitución: copy(), remove(), remove_if(),
replace(), swap(), . . .

® Algoritmos relacionales: equal(), includes(), mismatch(), . . .

® Algoritmos de generación y transformación: fill(), for_each(), generate(),
transform(), . . .

® Algoritmos numéricos: accumulate(), partial_sum(), inner_product(), . . .

® Algoritmos sobre conjuntos: set_union(), set_difference(), . . .

4.2.4 Ejemplos de utilización de algoritmos genéricos

® Para utilizar los algoritmos genéricos hay que incluir el fichero de cabecera
correspondiente: #include <algorithm>

® Supongamos, por ejemplo, que necesitamos implementar la función is_elem() de
modo que devuelva true si un número dado es un elemento de un vector ordenado
de enteros. Podemos usar cuatro posibles algoritmos genéricos:
1. find() busca un valor en una colección no ordenada marcada con dos
iteradores first y last. Si se encuentra el valor, devuelve un iterador al valor. En
caso contrario, devuelve last.
2. binary_search() busca en una colección ordenada. Devuelve true o false si
encuentra el valor o no. Es más eficiente que find().
3. count() devuelve el número de repeticiones de un valor.
4. search() busca una subsecuencia en una secuencia. Devuelve un iterador al
principio de la subsecuencia.

4.2.4 Ejemplos de utilización de algoritmos genéricos (II)

® Una posible implementación de la función is_elem() puede usar binary_search(),
ya que tenemos la garantía de que la secuencia de números está ordenada.
# include < a l g o r i t h m >
# include < v e c t o r >

using namespace s t d ;

bool is_elem ( const v e c t o r & v , i n t v a l o r ) {
r e t u r n b i n a r y _ s e a r c h ( v . begin ( ) , v . end ( ) , v a l o r ) ;
}

i n t main ( ) {
int array [8]={1 ,2 ,3 ,5 ,7 ,11 ,13 ,17};

v e c t o r primos ( a r r a y , a r r a y +8) ;

i f ( is_elem ( primos , 1 1 ) )
c o u t < < "11 esta en primos" ;
else
c o u t < < "11 no esta en primos" ;
}

4.2.4 Ejemplos de utilización de algoritmos genéricos (III)

® La función is_elem(), como hemos visto, supone que el vector de enteros que
recibe está ordenado. Pero, ¿y si no está garantizado?

® Podemos escribir una nueva versión que hace una copia del contenedor, la ordena
y sobre la versión ordenada realiza la búsqueda:
# include < a l g o r i t h m >
# include < v e c t o r >

using namespace s t d ;

bool is_elem ( const v e c t o r & v , i n t v a l o r ) {
vector <int > copia ( v . size ( ) ) ;

copy ( v . begin ( ) , v . end ( ) , c o p i a . begin ( ) ) ;
s o r t ( c o p i a . begin ( ) , c o p i a . end ( ) ) ;
r e t u r n b i n a r y _ s e a r c h ( c o p i a . begin ( ) , c o p i a . end ( ) , v a l o r ) ;
}

Fin
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