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title: "Files d'attente, listes triées, et listes doublement chaînées"
date: "2023-12-19"
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# La file d'attente (1/N)

* Structure de données abstraite permettant le stockage d'éléments.
* *FIFO*: First In First Out, ou première entrée première sortie.
* Analogue de la vie "réelle"":
    * File à un guichet,
    * Serveur d'impressions,
    * Mémoire tampon, ...

## Fonctionnalités
 
 . . .

* Enfiler: ajouter un élément à la fin de la file.
* Défiler: extraire un élément au devant de la file.
* Tester si la file est vide.

. . .

* Lire l'élément de la fin de la file.
* Lire l'élément du devant de la file.
* Créer une liste vide.
* Détruire une liste.

# La file d'attente (2/N)

\footnotesize

## Implémentation possible

* La structure file, contient un pointeur vers la tête et un vers le début de la file.
* Entre les deux, les éléments sont stockés dans une liste chaînée.

![Illustration d'une file d'attente.](figs/fig_queue_representation.png){width=80%}

## Structure de données en C?

. . .

```C
typedef struct _element {  // Elément de liste
   int data;
   struct _element* next;
} element;
typedef struct _queue {    // File d'attente:
   element* head;  //    tête de file d'attente
   element* tail;  //    queue de file d'attente
} queue;
```

# Fonctionnalités d'une file d'attente

## Creation et consultations

. . .

```C
void queue_init(queue *fa); // head = tail = NULL
bool queue_is_empty(queue fa); // fa.head == fa.tail == NULL
int queue_tail(queue fa); // return fa.tail->data
int queue_head(queue fa); // return fa.head->data
```

## Manipulations et destruction

. . .

```C
void queue_enqueue(queue *fa, int val);
// adds an element before the tail
int queue_dequeue(queue *fa);
// removes the head and returns stored value
void queue_destroy(queue *fa);
// dequeues everything into oblivion
```

# Enfilage

## Deux cas différents:

1. La file est vide (faire un dessin):

. . .

![Insertion dans une file d'attente vide.](./figs/fig_empty_queue_insert.png){width=40%}

2. La file n'est pas vide (faire un dessin):

. . .

![Insertion dans une file d'attente non-vide.](./figs/fig_non_empty_queue_insert.png){width=70%}

# Enfilage

## Live (implémentation)

. . .

```C
void queue_enqueue(queue *fa, int val) {
    element* elmt = malloc(sizeof(*elmt));
    elmt->data = val;
    elmt->next = NULL;
    if (queue_is_empty(*fa)) {
        fa->head = elmt;
    } else {
        fa->tail->next = elmt;  
    }
    fa->tail = elmt;
}
```

# Défilage

## Deux cas différents

1. La file a plus d'un élément (faire un dessin):

. . .

![Extraction d'une file d'attente](./figs/fig_queue_extract.png){width=80%}

2. La file un seul élément (faire un dessin):

. . .

![Extraction d'une file d'attente de longueur 1.](./figs/fig_queue_extract_one.svg){width=25%}


3. La file est vide (problème)

# Défilage

## Live (implémentation)

. . .

```C
int queue_dequeue(queue *fa) {
    element* elmt = fa->head;
    int val = elmt->data;
    fa->head = fa->head->next;
    free(elmt);
    if (NULL == fa->head) {
        fa->tail = NULL;
    }
    return val;
}
```

. . .

## Problème avec cette implémentation?

# Destruction

## Comment on faire la désallocation?

. . .

On défile jusqu'à ce que la file soit vide!

# Complexité

## Quelle sont les complexité de:

* Enfiler?

. . .

* Défiler?

. . .

* Détruire?

. . .

* Est vide?

# Implémentation alternative

## Comment implémenter la file autrement?

. . .

* Données stockées dans un tableau;
* Tableau de taille connue à la compilation ou pas (réallouable);
* `tail` seraient les indices du tableau;
* `capacity` seraient la capacité maximale;
* On *enfile* "au bout" du tableau, au défile au début (indice `0`).

. . .

## Structure de données

```C
typedef struct _queue {
    int *data;
    int tail, capacity;
} queue;
```

# File basée sur un tableau

* Initialisation?

. . .

```C




```

* Est vide?

. . .

```C




```


* Enfiler?

. . .

```C




```

* Défiler?

. . .

```C




```

# Complexité

## Quelle sont les complexités de:

* Initialisation?

. . .

```C




```

* Est vide?

. . .

```C

```


* Enfiler?

. . .

```C




```

* Défiler?

. . .

```C




```

# Une file plus efficace

## Comment faire une file plus efficace?

* Où est-ce que ça coince?

. . .

* Défiler est particulièrement lent $\mathcal{O}(N)$.

## Solution?

. . .

* Utiliser un indice séparé pour `head`.

```C
typedef struct _queue {
    int *data;
    int head, tail, capacity;
} queue;
```

# Une file plus efficace (implémentation)

## Enfilage

\footnotesize

```C
void queue_enqueue(queue *fa, int val) {
    if ((fa->head == 0 && fa->tail == fa->capacity-1) ||
            (fa->tail == fa->head-1)) {
        return; // queue is full
    }
    if (fa->head == -1) { // queue was empty
        fa->head = fa->tail = 0;
        fa->data[fa->tail] = val;
    } else if (fa->tail == fa->capacity-1 && fa->head != 0) {
        // the tail reached the end of the array
        fa->tail = 0;
        fa->data[fa->tail] = val;
    } else {
        // nothing particular
        fa->tail += 1;
        fa->data[fa->tail] = val;      
    }
}
```

# Une file plus efficace (implémentation)

## Défilage

```C
void queue_dequeue(queue *fa, int *val) {
    if (queue_is_empty(*fa)) {
        return; // queue is empty
    }
    *val = fa->data[fa->head];
    if (fa->head == fa->tail) { // that was the last element
        fa->head = fa->tail = -1;
    } else if (fa->head == fa->capacity-1) {
        fa->head = 0;
    } else {
        fa->head += 1;
    }
}
```


# Les listes triées

Une liste chaînée triée est:

* une liste chaînée
* dont les éléments sont insérés dans l'ordre.

![Exemple de liste triée.](./figs/sorted_list_example.svg)

. . .

* L'insertion est faite telle que l'ordre est maintenu.

## Quelle structure de données?

```C





```

# Les listes triées

## Quel but?

* Permet de retrouver rapidement un élément.
* Utile pour la recherche de plus court chemin dans des graphes.
* Ordonnancement de processus par degré de priorité.

## Comment?

* Les implémentations les plus efficaces se basent sur les tableaux.
* Possibles aussi avec des listes chaînées.

# Les listes triées

\footnotesize

## Quelle structure de données dans notre cas?


Une liste chaînée bien sûr (oui c'est pour vous entraîner)!

```C
typedef struct _element { // chaque élément
    int data;
    struct _element *next;
} element;
typedef element* sorted_list; // la liste
```

## Fonctionnalités

```C
// insertion de val
sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val);
// la liste est-elle vide?
bool is_empty(sorted_list list); // list == NULL
// extraction de val (il disparaît)
sorted_list sorted_list_extract(sorted_list list, int val); 
 // rechercher un élément et le retourner
element* sorted_list_search(sorted_list list, int val);
```

# L'insertion

## Trois cas

1. La liste est vide.

. . .

![Insertion dans une liste vide, `list == NULL`.](figs/sorted_list_insert_one.svg){width=30%}

. . .

```C
sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    if (sorted_list_is_empty(list)) {
        list = malloc(sizeof(*list));
        list->data = val;
        list->next = NULL;
        return list;
    }
}
```

# L'insertion

2. L'insertion se fait en première position.

. . .

![Insertion en tête de liste, `list->data >= val`.](figs/sorted_list_insert_first.svg){width=80%}

. . .

```C
sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    if (list->data >= val) {
        element *tmp = malloc(sizeof(*tmp));
        tmp->data = val;
        tmp->next = list;
        list = tmp;
        return list;
    }
}
```

# L'insertion

3. L'insertion se fait sur une autre position que la première.

. . .

![Insertion sur une autre position, list->data < val.](figs/sorted_list_insert_any.svg){width=70%}

. . .

\footnotesize

```C
sorted_list sorted_list_push(sorted_list list, int val) {
    element *tmp = malloc(sizeof(*tmp));
    tmp->data = val;
    element *crt = list;
    while (NULL != crt->next && val > crt->next->data) {
        crt = crt->next;
    }
    tmp->next = crt->next;
    crt->next = tmp;
    return list;
}
```


# L'extraction

## Trois cas

1. L'élément à extraire n'est **pas** le premier élément de la liste

. . .

![Extraction d'un élément qui n'est pas le premier.](figs/sorted_list_extract_any.svg){width=70%}

. . .

\scriptsize

```C
sorted_list sorted_list_extract(sorted_list list, int val) {
    element *prec = *crt = list; // needed to glue elements together
    while (NULL != crt && val > crt->data) {
	   prec = crt;
	   crt = crt->next;
	}
    if (NULL != crt && prec != crt && crt->data == val) { // glue things together
        prec->next = crt->next;
        free(crt);
    }
    return list;
}
```


# L'extraction

2. L'élément à extraire est le premier élément de la liste

. . .

![Extraction d'un élément qui est le premier.](figs/sorted_list_extract_first.svg){width=70%}

. . .

\footnotesize

```C
sorted_list sorted_list_extract(sorted_list list, int val) {
    element *prec = *crt = list; // needed to glue elements together
    while (NULL != crt && val > crt->data) {
	   prec = crt;
	   crt = crt->next;
	}
    if (NULL != crt && crt->data == val && prec == crt) { // glue things together
        list = list->next;
        free(crt);
    }
    return list;
}
```

# L'extraction

3. L'élément à extraire n'est **pas** dans la liste.
    * La liste est vide.
    * La valeur est plus grande que le dernier élément de la liste.
    * La valeur est plus petite que la valeur de `crt`.

. . .

On retourne la liste inchangée.

. . .

\footnotesize

```C
sorted_list sorted_list_extract(sorted_list list, int val) {
    element *prec = *crt = list; // needed to glue elements together
    while (NULL != crt && val > crt->data) {
	   prec = crt;
	   crt = crt->next;
	}
    if (NULL == crt || crt->data != val) { // val not present
        return list;
    }
}
```

# La recherche



```C
element* sorted_list_search(sorted_list list, int val);
```

* Retourne `NULL` si la valeur n'est pas présente (ou la liste vide).
* Retourne un pointeur vers l'élément si la valeur est présente.

. . .

```C
element* sorted_list_search(sorted_list list, int val) {
    // search for element smaller than val
    element* pos = sorted_list_position(list, val); 
    if (NULL == pos && val == list->data) {
        return list; // first element contains val
    } else if (NULL != pos && NULL != pos->next && val == pos->next->data) {
        return pos->next; // non-first element contains val
    } else {
        return NULL; // well... val's not here
    }
}
```

# La recherche

## La fonction `sorted_list_position`

```C
element* sorted_list_position(sorted_list list, int val);
```

![Trois exemples de retour de la fonction `sorted_list_position()`.](figs/sorted_list_position.svg)

# La recherche

## Exercice: implémenter

```C
element* sorted_list_position(sorted_list list, int val);
```

. . .

```C
element* sorted_list_position(sorted_list list, int val) {
    element* pos = list;
    if (sorted_list_is_empty(list) || val <= list->data) {
        pos = NULL;
    } else {
        while (NULL != pos->next && val > pos->next->data) {
            pos = pos->next;
        }
    }
    return pos;
}
```

# Complexité de la liste chaînée triée

## L'insertion?

. . .

$$
\mathcal{O}(N).
$$

## L'extraction?

. . .

$$
\mathcal{O}(N).
$$

## La recherche?

. . .

$$
\mathcal{O}(N).
$$


# Liste doublement chaînée

## Application: navigateur ou éditeur de texte

* Avec une liste chaînée:
    * Comment implémenter les fonctions `back` et `forward` d'un navigateur?
    * Comment implémenter les fonctions `undo` et `redo` d'un éditeur de texte?

. . .

Pas possible.

## Solution?

. . .

* Garder un pointeur supplémentaire sur l'élément précédent et pas seulement le
  suivant.

. . .

* Cette structure de donnée est la **liste doublement chaînée** ou **doubly
  linked list**.

# Liste doublement chaînée

## Exercices

* Partir du dessin suivant et par **groupe de 5**

![Un schéma de liste doublement chaînée d'entiers.](figs/doubly_linked_list.svg)

1. Écrire les structures de données pour représenter la liste doublement
   chaînée dont le type sera `dll` (pour
   `doubly_linked_list`)

# Liste doublement chaînée

2. Écrire les fonctionnalités de création et consultation

```C 
// crée la liste doublement chaînée
dll dll_create();
// retourne la valeur à la position actuelle dans la liste
int dll_value(dll list);
// la liste est-elle vide?
bool dll_is_empty(dll list);
// Est-ce que pos est le 1er élément?
bool dll_is_head(dll list);
// Est-ce que pos est le dernier élément?
bool dll_is_tail(dll list);
// data est-elle dans la liste?
bool dll_is_present(dll list, int data);
// affiche la liste
void dll_print(dll list);
```

# Liste doublement chaînée

3. Écrire les fonctionnalités de manipulation 

```C 
// déplace pos au début de la liste
dll dll_move_to_head(dll list);
// déplace pos à la position suivante dans la liste
dll dll_next(dll list);
// déplace pos à la position précédente dans la liste
dll dll_prev(dll list);
```

# Liste doublement chaînée

4. Écrire les fonctionnalités d'insertion

```C
// insertion de data dans l'élément après pos
dll dll_insert_after(dll list, int data);
// insertion de data en tête de liste
dll dll_push(dll list, int data);
```

5. Écrire les fonctionnalités d'extraction

```C
// extraction de la valeur se trouvant dans l'élément pos
// l'élément pos est libéré
int dll_extract(dll *list);
// extrait la donnée en tête de liste
int dll_pop(dll *list);
// vide la liste
void dll_destroy(dll *list);
```

