Listas, Pilas y Colas

http://www.it.uc3m.es/java/prog/units/pilas-colas/guides/4/guide_es.html

Listas Enlazadas

Además de los arrays, otra de las estructuras de datos muy utilizada es la lista enlazada. Esta estructura implica cuatro conceptos: clase auto-refenciada, nodo, campo de enlace y enlace.

• • Clase auto-referenciada: una clase con al menos un campo cuyo tipo de referencia es el nombre de la clase:

    • class Employee { private int empno; private String name; private double salary; public Employee next; // Other members }

    • Employee es una clase auto-referenciada porque su campo next tiene el tipo Employee.

  • Nodo: un objeto creado desde una clase auto-referenciada.

  • Campo de enlace: un campo cuyo tipo de referencia es el nombre de la clase. En el fragmento de código anterior, next es un campo de enlace. Por el contrario, empno, name, y salary son campos no de enlace.

  • Enlace: la referencia a un campo de enlace. En el fragmento de código anterior, la referencia next a un nodo Employee es un enlace.

Los cuatro conceptos de arriba nos llevan a la siguiente definición: una lista enlazada es una secuencia de nodos que se interconectan mediante sus campos de enlace. En ciencia de la computación se utiliza una notación especial para ilustrar las listas enlazadas. En la siguiente imagen aparece una variante de esta notación que utilizaré a lo largo de esta sección:

La figura anterior presenta tres nodos: A, B y C. Cada nodo se divide en áreas de contenido (en naranja) y una o más áreas de enlace (en verde). Las áreas de contenido representan todos los campos que no son enlaces, y cada área de enlace representa un campo de enlace. Las áreas de enlace de A y C tienen unas flechas para indicar que referencian a otro nodo del mismo tipo (o subtipo). El único área de enlace de B incorpora una X para indicar una referencia nula. En otras palabras, B no está conectado a ningún otro nodo.

Aunque se pueden crear muchos tipos de listas enlazadas, las tres variantes más populares son la lista de enlace simple, la lista doblemente enlazada y la lista enlazada circular. Exploremos esas variantes, empezando con la lista enlazada.

Lista de Enlace Simple

Una lista de enlace simple es una lista enlazada de nodos, donde cada nodo tiene un único campo de enlace. Una variable de referencia contiene una referencia al primer nodo, cada nodo (excepto el último) enlaza con el nodo siguiente, y el enlace del último nodo contiene null para indicar el final de la lista. Aunque normalmente a la variable de referencia se la suele llamar top, usted puede elegir el nombre que quiera. La siguiente figura presenta una lista de enlace simple de tres nodos, donde top referencia al nodo A, A conecta con B y B conecta con C y C es el nodo final:

Un algoritmo común de las listas de enlace simple es la inserción de nodos. Este algoritmo está implicado de alguna forma porue tiene mucho que ver con cuatro casos: cuando el nodo se debe insertar antes del primer nodo; cuando el nodo se debe insertar después del último nodo; cuando el nodo se debe insertar entre dos nodos; y cuando la lista de enlace simple no existe. Antes de estudiar cada caso consideremos el siguiente pseudocódigo:

DECLARE CLASS Node DECLARE STRING name DECLARE Node next END DECLARE DECLARE Node top = NULL

Este pseudocódigo declara una clase auto-referenciada llamada Node con un campo no de enlace llamado name y un campo de enlace llamado next. También declara una variable de referencia top (del tipo Node) que contiene una referencia al primer Node de una lista de enlace simple. Como la lista todavía no existe, el valor inicial de top es NULL. Cada uno de los siguientes cuatro casos asume las declaraciones de Node y top:

• • La lista de enlace simple no existe::

  • Este es el caso más simple. Se crea un Node, se asigna su referencia a top, se inicializa su campo no de enlace, y se asigna NULL a su campo de enlace. El siguiente pseudocódigo realiza estas tareas:

    • top = NEW Node top.name = "A" top.next = NULL

    • En la siguiente imagen se puede ver la lista de enlace simple que emerge del pseudocódigo anterior:

• • El nodo debe insertarse antes del primer nodo:.

  • Se crea un Node, se inicialia su campo no de enlace, se asigna la referencia de top al campo de enlace next, y se asigna la referencia del Node recien creado a top. El siguiente pseudocódigo (que asume que se ha ejecutado el pseudocódigo anterior) realiza estas tareas:

    • DECLARE Node temp temp = NEW Node temp.name = "B" temp.next = top top = temp

    • El resultado del listado anterior aparece en la siguiente imagen:

• • El nodo debe insertarse detrás del último nodo:

  • Se crea un Node, se inicializa su campo no de enlace, se asigna NULL al campo de enlace, se atraviesa la lista de enlace simple hasta el último Node, y se asigna la referencia del Node recien creado al campo next del último nodo. El siguiente pseudocódigo realiza estas tareas:

    • temp = NEW Node temp.name = "C" temp.next = NULL DECLARE Node temp2 temp2 = top // We assume top (and temp2) are not NULL // because of the previous pseudocode WHILE temp2.next IS NOT NULL temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references the last node temp2.next = temp

    • La siguiente imagen revela la lista después de la inserceción del nodo C después del nodo A.

• • El nodo se debe insertar entre dos nodos:

  • Este es el caso más complejo. Se crea un Node, se inicializa su campo no de enlace, se atraviesa la lista hasta encontrar el Node que aparece antes del nuevo Node, se asigna el campo de enlace del Node anterior al campo de enlace del Node recien creado, y se asigna la referencia del Node recien creado al campo del enlace del Node anterior. El siguiente pseudocódigo realiza estas tareas:

    • temp = NEW Node temp.name = "D" temp2 = top // We assume that the newly created Node is inserted after Node // A and that Node A exists. In the real world, there is no // guarantee that any Node exists, so we would need to check // for temp2 containing NULL in both the WHILE loop's header // and after the WHILE loop completes. WHILE temp2.name IS NOT "A" temp2 = temp2.next END WHILE // temp2 now references Node A. temp.next = temp2.next temp2.next = temp

    • La siguiente imagen muestra la inserción del nodo D entre los nodos A y C.

El siguiente listado presenta el equivalente Java de los ejemplos de pseudocódigo de insercción anteriores:

// SLLInsDemo.java class SLLInsDemo { static class Node { String name; Node next; } public static void main (String [] args) { Node top = null; // 1. The singly linked list does not exist top = new Node (); top.name = "A"; top.next = null; dump ("Case 1", top); // 2. The singly linked list exists, and the node must be inserted // before the first node Node temp; temp = new Node (); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; dump ("Case 2", top); // 3. The singly linked list exists, and the node must be inserted // after the last node temp = new Node (); temp.name = "C"; temp.next = null; Node temp2; temp2 = top; while (temp2.next != null) temp2 = temp2.next; temp2.next = temp; dump ("Case 3", top); // 4. The singly linked list exists, and the node must be inserted // between two nodes temp = new Node (); temp.name = "D"; temp2 = top; while (temp2.name.equals ("A") == false) temp2 = temp2.next; temp.next = temp2.next; temp2.next = temp; dump ("Case 4", top); } static void dump (String msg, Node topNode) { System.out.print (msg + " "); while (topNode != null) { System.out.print (topNode.name + " "); topNode = topNode.next; } System.out.println (); } }

El método static void dump(String msg, Node topNode) itera sobre la lista e imprime su contenido. Cuando se ejecuta SLLInsDemo, las repetidas llamadas a este método dan como resultado la siguiente salida, lo que coincide con las imagénes anteriores:

Case 1 A Case 2 B A Case 3 B A C Case 4 B A D C

Nota:

SLLInsDemo y los ejemplos de pseudocódigo anteriores empleaban un algoritmo de búsqueda lineal orientado a listas enlazadas para encontrar un Node específico. Indudablemente usted utilizará este otro algoritmo en sus propios programas:

• • Búsqueda del últimoNode:

    • // Assume top references a singly linked list of at least one Node. Node temp = top // We use temp and not top. If top were used, we // couldn't access the singly linked list after // the search finished because top would refer // to the final Node. WHILE temp.next IS NOT NULL temp = temp.next END WHILE // temp now references the last Node.

  • Búsqueda de un Node específico:

    • // Assume top references a singly linked list of at least one Node. Node temp = top WHILE temp IS NOT NULL AND temp.name IS NOT "A" // Search for "A". temp = temp.next END WHILE // temp either references Node A or contains NULL if Node A not found.

Otro algoritmo común de las listas de enlace simples es el borrado de nodos. Al contrario que la insercción de nodos, sólo hay dos casos a considerar:

• • Borrar el Primer nodo:

  • Asigna el enlace del campo next del nodo referenciado por top a top:

    • top = top.next; // Reference the second Node (or NULL if there is only one Node)

    • La siguiente imagen presenta las vistas anterior y posterior de una lista donde se ha borrado el primer nodo. en esta figura, el nodo B desaparece y el nodo A se convierte en el primer nodo.

• • Borrar cualquier nodo que no sea el primero:

  • Localiza el nodo que precede al nodo a borrar y le asigna el enlace que hay en el campo next del nodo a borrar al campo next del nodo que le precede. El siguiente pseudocódigo borra el nodo D:

    • temp = top WHILE temp.name IS NOT "A" temp = temp.next END WHILE // We assume that temp references Node A temp.next = temp.next.next // Node D no longer exists

    • La siguiente figura presenta las vistas anterior y posterior de una lista donde se ha borrado un nodo intermedio. En esa figura el nodo D desaparece.

El siguiente listado representa el equivalente Java a los pseudocódigos de borrado anteriores:

// SLLDelDemo.java class SLLDelDemo { static class Node { String name; Node next; } public static void main (String [] args) { // Build Figure 6's singly linked list (i.e., B A D C) Node top = new Node (); top.name = "C"; top.next = null; Node temp = new Node (); temp.name = "D"; temp.next = top; top = temp; temp = new Node (); temp.name = "A"; temp.next = top; top = temp; temp = new Node (); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; dump ("Initial singly-linked list", top); // 1. Delete the first node top = top.next; dump ("After first node deletion", top); // Put back B temp = new Node (); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; // 2. Delete any node but the first node temp = top; while (temp.name.equals ("A") == false) temp = temp.next; temp.next = temp.next.next; dump ("After D node deletion", top); } static void dump (String msg, Node topNode) { System.out.print (msg + " "); while (topNode != null) { System.out.print (topNode.name + " "); topNode = topNode.next; } System.out.println (); } }

Cuando ejecute SLLDelDemo, observará la siguiente salida:

Initial singly linked list B A D C After first node deletion A D C After D node deletion B A C

Cuidado:

Como java inicializa los campos de referencias de un objeto a null durante la construcción del objeto, no es necesario asignar explícitamente null a un campo de enlace. No olvide estas asignaciones de null en su código fuente; su ausencia reduce la claridad del código.

Después de estudiar SLLDelDemo, podría preguntarse qué sucede si asigna null al nodo referenciado por top: ¿el recolector de basura recogerá toda la lista? Para responder a esta cuestión, compile y ejecute el código del siguiente listado:

// GCDemo.java class GCDemo { static class Node { String name; Node next; protected void finalize () throws Throwable { System.out.println ("Finalizing " + name); super.finalize (); } } public static void main (String [] args) { // Build Figure 6's singly linked list (i.e., B A D C) Node top = new Node (); top.name = "C"; top.next = null; Node temp = new Node (); temp.name = "D"; temp.next = top; top = temp; temp = new Node (); temp.name = "A"; temp.next = top; top = temp; temp = new Node (); temp.name = "B"; temp.next = top; top = temp; dump ("Initial singly-linked list", top); top = null; temp = null; for (int i = 0; i < 100; i++) System.gc (); } static void dump (String msg, Node topNode) { System.out.print (msg + " "); while (topNode != null){ System.out.print (topNode.name + " "); topNode = topNode.next; } System.out.println (); } }

GCDemo crea la misma lista de cuatro nodos que SLLDelDemo. Después de volcar los nodos a la salida estándar, GCDemo asigna null a top y a temp. Luego, GCDemo ejecuta System.gc (); hasta 100 veces. ¿Qué sucede después? Mire la salida (que he observado en mi plataforma Windows):

Initial singly-linked list B A D C Finalizing C Finalizing D Finalizing A Finalizing B

La salida revela que todos los nodos de la lista de enlace simple han sido finalizados (y recolectados). Como resultado, no tiene que preocuparse de poner a null todos los enlaces de una lista de enlace simple cuando se quiera deshacer de ella. (Podría necesitar tener que incrementar el número de ejecuciones de System.gc (); si su salida no incluye los mensajes de finalización.)

Los Algoritmos de Concatenación e Inversión

Existen muchos algoritmos útiles para listas de enlace simple. Uno de ellos es la concatenación, que implica que puede añadir una lista de enlace simple al final de otra lista.

Otro algoritmo útil es la inversión. Este algoritmo invierte los enlaces de una lista de enlace simple permitiendo atravesar los nodos en direccion opuesta. El siguiente código extiende la clase anterior para invertir los enlaces de la lista referenciada por top1:

> // CIDemojava class CIDemo { static class DictEntry { String word; String meaning; DictEntry next; } // ListInfo is necessary because buildList() must return two pieces // of information static class ListInfo { DictEntry top; DictEntry last; } public static void main (String [] args) { String [] wordsMaster = { "aardvark", "anxious", "asterism" }; ListInfo liMaster = new ListInfo (); buildList (liMaster, wordsMaster); dump ("Master list =", liMaster.top); String [] wordsWorking = { "carbuncle", "catfish", "color" }; ListInfo liWorking = new ListInfo (); buildList (liWorking, wordsWorking); dump ("Working list =", liWorking.top); // Perform the concatenation liMaster.last.next = liWorking.top; dump ("New master list =", liMaster.top); invert (liMaster); dump ("Inverted new master list =", liMaster.top); } static void buildList (ListInfo li, String [] words) { if (words.length == 0) return; // Create a node for first word/meaning li.top = new DictEntry (); li.top.word = words [0]; li.top.meaning = null; // Initialize last reference variable to // simplify append and make concatenation possible. li.last = li.top; for (int i = 1; i < words.length; i++) { // Create (and append) a new node for next word/meaning li.last.next = new DictEntry (); li.last.next.word = words [i]; li.last.next.meaning = null; // Advance last reference variable to simplify // append and make concatenation possible li.last = li.last.next; } li.last.next = null; } static void dump (String msg, DictEntry topEntry) { System.out.print (msg + " "); while (topEntry != null) { System.out.print (topEntry.word + " "); topEntry = topEntry.next; } System.out.println (); } static void invert (ListInfo li) { DictEntry p = li.top, q = null, r; while (p != null) { r = q; q = p; p = p.next; q.next = r; } li.top = q; } }

CIDemo declara un DictEntry anidado en la clase de más alto nivel cuyos objetos contienen palabras y significados. (Para mentener el programa lo más sencillo posible, he evitado los significados. Usted puede añadirlos si lo desea). CIDemo también declara ListInfo para seguir las referencias el primero y último DictEntry de una lista de enlace simple.

El thread principal ejecuta el método public static void main(String [] args) de CIDemo. Este thread llama dos veces al método static void buildList (ListInfo li, String [] words) para crear dos listas de enlace simple: una lista maestra (cuyos nodos se rellenan con palabras del array wordsMaster), y una lista de trabajo (cuyos nodos se rellenan con palabras del array wordsWorking). Antes de cada llamada al método buildList (ListInfo li, String [] words), el thread principal crea y pasa un objeto ListInfo. este objeto devuelve las referencias al primero y último nodo. (Una llamada a método devuelve directamente un sólo dato). Después de construir una lista de enlace simple, el thread principal llama a static void dump (String msg, DictEntry topEntry) para volcar un mensaje y las palabras de los nodos de una lista en el dispositivo de salida estándar.

Se podría estar preguntando sobre la necesidad del campo last de ListInfo. Este campo sirve a un doble propósito: primero, simplifica la creación de cada lista, donde se añaden los nodos. Segundo, este campo simplifica la concatenación, que se queda sólo en la ejecución de la siguiente línea de código: liMaster.last.next = liWorking.top;. Una vez que se completa la concatenación, y el thread principal vuelva los resultados de la lista maestra en la salida estándar, el thread llama al método static void invert (ListInfo li) para invertir la lista maestra y luego muestra la lista maestra invertida por la salida estándar.

Cuando ejecute CIDemo verá la siguiente salida:

Master list = aardvark anxious asterism Working list = carbuncle catfish color New master list = aardvark anxious asterism carbuncle catfish color Inverted new master list = color catfish carbuncle asterism anxious aardvark

Lista Doblemente Enlazada

Las listas de enlace simple restringen el movimiento por lo nodos a una sóla dirección: no puede atravesar una lista de enlace simple en dirección opuesta a menos que primero utilice el algoritmo de inversión para invertir los enlaces de los nodos, lo que lleva tiempo. Después de atraversarlos en dirección opuesta, problamente necesitará repetir la inversión para restaurar el orden original, lo que lleva aún más tiempo. Un segundo problema implica el borrado de nodos: no puede borrar un nodo arbitrario sin acceder al predecesor del nodo. Estos problemas desaperecen cuando se utiliza una lista doblemente enlazada.

Una lista doblemente enlazada es una lista enlazada de nodos, donde cada nodo tiene un par de campos de enlace. Un campo de enlace permite atravesar la lista hacia adelante, mientras que el otro permite atravesar la lista haca atrás. Para la dirección hacia adelante, una variable de referencia contiene una referencia al primer nodo. Cada nodo se enlaza con el siguiente mediante el campo de enlace next, excepto el último nodo, cuyo campo de enlace next contiene null para indicar el final de la lista (en direccion hacia adelante). De forma similar, para la dirección contraria, una variable de referencia contiene una referencia al último nodo de la dirección normal (hacia adelante), lo que se interpreta como el primer nodo. Cada nodo se enlaza con el anterior mediante el campo de enlace previous, y el primer nodo de la direccion hacia adelante, contiene null en su campo previous para indicar el fin de la lista. La siguiente figura representa una lista doblemente enlazada de tres nodos, donde topForward referencia el primer nodo en la direccion hacia adelante, y topBackward referencia el primero nodo la dirección inversa.

La inserción y borrado de nodos en una lista doblemente enlazada son operaciones comunes. Estas operaciones se realizan mediante algoritmos que se basan en los algoritmos de inserción y borrado de las listas de enlace simple (porque las listas doblemente enlazadas sólo son una pareja de listas de enlace simple que interconectan los mismos nodos).

El siguiente listado muestra la inserción de nodos para crear la lista de la figura anterior, el borrado de nodos ya que elimina el nodo B de la lista, y el movimiento por la lista en ambas direcciones:

// DLLDemo.java class DLLDemo { static class Node { String name; Node next; Node prev; } public static void main (String [] args) { // Build a doubly linked list Node topForward = new Node (); topForward.name = "A"; Node temp = new Node (); temp.name = "B"; Node topBackward = new Node (); topBackward.name = "C"; topForward.next = temp; temp.next = topBackward; topBackward.next = null; topBackward.prev = temp; temp.prev = topForward; topForward.prev = null; // Dump forward singly linked list System.out.print ("Forward singly-linked list: "); temp = topForward; while (temp != null){ System.out.print (temp.name); temp = temp.next; } System.out.println (); // Dump backward singly linked list System.out.print ("Backward singly-linked list: "); temp = topBackward; while (temp != null){ System.out.print (temp.name); temp = temp.prev; } System.out.println (); // Reference node B temp = topForward.next; // Delete node B temp.prev.next = temp.next; temp.next.prev = temp.prev; // Dump forward singly linked list System.out.print ("Forward singly-linked list (after deletion): "); temp = topForward; while (temp != null){ System.out.print (temp.name); temp = temp.next; } System.out.println (); // Dump backward singly linked list System.out.print ("Backward singly-linked list (after deletion): "); temp = topBackward; while (temp != null){ System.out.print (temp.name); temp = temp.prev; } System.out.println (); } }

Cuando se ejecuta, DLLDemo produce la siguiente salida:

Forward singly-linked list: ABC Backward singly-linked list: CBA Forward singly-linked list (after deletion): AC Backward singly-linked list (after deletion): CA

Algoritmo de Inserción-Ordenada

Algunas veces querrá crear una lista doblemente enlazada que organice el orden de sus nodos basándose en un campo no de enlace. Atravesar la lista doblemente enlazada en una dirección presenta esos nodos en orden ascendente, y atravsarla en en dirección contraria los presenta ordenados descedentemente. El algoritmo de ordenación de burbuja es inapropiado en este caso porque requiere índices de array. Por el contrario, inserción-ordenada construye una lista de enlace simple o una lista doblemente enlzada ordenadas por un campo no de enlace para identificar el punto de inserción de cada nuevo nodo. El siguiente litado demuestra el algoritmo de inserción-ordenada:

// InsSortDemo.java class InsSortDemo { // Note: To keep Employee simple, I've omitted various constructor and // nonconstructor methods. In practice, such methods would be present. static class Employee { int empno; String name; Employee next; Employee prev; } public static void main (String [] args) { // Data for a doubly linked list of Employee objects. The lengths of // the empnos and names arrays must agree. int [] empnos = { 687, 325, 567, 100, 987, 654, 234 }; String [] names = { "April", "Joan", "Jack", "George", "Brian", "Sam", "Alice" }; Employee topForward = null; Employee topBackward = null; // Prime the doubly linked list by creating the first node. topForward = new Employee (); topForward.empno = empnos [0]; topForward.name = names [0]; topForward.next = null; topForward.prev = null; topBackward = topForward; // Insert remaining Employee nodes (in ascending order -- via empno) // into the doubly linked list. for (int i = 1; i < empnos.length; i++) { // Create and initialize a new Employee node. Employee e = new Employee (); e.empno = empnos [i]; e.name = names [i]; e.next = null; e.prev = null; // Locate the first Employee node whose empno is greater than // the empno of the Employee node to be inserted. Employee temp = topForward; while (temp != null && temp.empno <= e.empno) temp = temp.next; // temp is either null (meaning that the Employee node must be // appended) or not null (meaning that the Employee node must // be inserted prior to the temp-referenced Employee node). if (temp == null) { topBackward.next = e; // Append new Employee node to // forward singly linked list. e.prev = topBackward; // Update backward singly linked topBackward = e; // list as well. } else{ if (temp.prev == null) { e.next = topForward; // Insert new Employee node at topForward = e; // head of forward singly linked // list. temp.prev = e; // Update backward singly linked // list as well. } else { e.next = temp.prev.next; // Insert new Employee node temp.prev.next = e; // after last Employee node // whose empno is smaller in // forward singly linked list. e.prev = temp.prev; // Update backward temp.prev = e; //singly linked list as well. } } } // Dump forward singly linked list (ascending order). System.out.println ("Ascending order:\n"); Employee temp = topForward; while (temp != null) { System.out.println ("[" + temp.empno + ", " + temp.name + "] "); temp = temp.next; } System.out.println (); // Dump backward singly linked list (descending order). System.out.println ("Descending order:\n"); temp = topBackward; while (temp != null) { System.out.println ("[" + temp.empno + ", " + temp.name + "] "); temp = temp.prev; } System.out.println (); } }

InsSortDemo simplifica su operación creando primero un nodo Employee primario. Para el resto de nodos Employee, InsSortDemo localiza la posición de inserción apropiada basándose en el campo no de enlace empno, y luego inserta el Employee en esa posición. Cuando ejecute InsSortDemo, podrá observar la siguiente salida:

Ascending order: [100, George] [234, Alice] [325, Joan] [567, Jack] [654, Sam] [687, April] [987, Brian] Descending order: [987, Brian] [687, April] [654, Sam] [567, Jack] [325, Joan] [234, Alice] [100, George]

Tanto la inserción-ordenada como la ordenación de burbuja exhiben prácticamente el mismo rendimiento.

Lista de Enlace Circular

El campo de enlace del último nodo de una lista de enlace simple contiene un enlace nulo, ocurre lo mismo en los campos de enlace del primer y último elemento en ambas direcciones en las listas doblemente enlazadas. Supongamos que en vez de esto los últimos nodos contiene un enlace a los primeros nodos. En esta situacion, usted terminará con una lista de enlace circular, como se ve en la siguiente figura:

Las listas de enlace circular se utilizan con frecuencia en procesamiento repetitivo de nodos en un orden específico. Dichos nodos podrían representar conexiones de servidor, procesadores esperando una sección crítica, etc. Esta estructura de datos también sirve como base para una variante de una estructura de datos más compleja: la cola (que veremos más adeltante).

Listas Enlazadas frente a Arrays

Las listas enlazadas tienen las siguiente ventajas sobre los arrays:

• • No requieren memoria extra para soportar la expansión. Por el contrario, los arrays requieren memoria extra si se necesita expandirlo (una vez que todos los elementos tienen datos no se pueden añadir datos nuevos a un array).

  • Ofrecen una inserción/borrado de elementos más rápida que sus operaciones equivalentes en los arrays. Sólo se tienen que actualizar los enlaces después de identificar la posición de inserción/borrado. Desde la perspectiva de los arrays, la inserción de datos requiere el movimiento de todos los otros datos del array para crear un elemento vacío. De forma similar, el borrado de un dato existente requiere el movimiento de todos los otros datos para eliminar el elementovacío.

En contraste, los arrays ofrecen las siguiente ventajas sobre las listas enlazadas:

• • Los elementos de los arrays ocupan menos memoria que los nodos porque no requieren campos de enlace.

  • Los arrays ofrecen un aceso más rápido a los datos, medante índices basados en enteros.

Las listas enlazadas son más apropiadas cuando se trabaja con datos dinámicos. En otras palabras, inserciones y borrados con frecuencia. Por el contrario, los arrays son más apropiados cuando los datos son estáticos (las inserciones y borrados son raras). De todas formas, no olvide que si se queda sin espacio cuando añade ítems a un array, debe crear un array más grande, copiar los datos del array original el nuevo array mayor y elimiar el original. Esto cuesta tiempo, lo que afecta especialmente al rendimiento si se hace repetidamente.

Mezclando una lista de enlace simple con un array uni-dimensional para acceder a los nodos mediante los índices del array no se consigue nada. Gastará más memoria, porque necesitará los elementos del array más los nodos, y tiempo, porque necesitará mover los ítems del array siempre que inserte o borre un nodo. Sin embargo, si es posible integrar el array con una lista enlazada para crear una estructura de datos útil (por ejemplo, las tablas hash).

Pilas y Colas

Los desarrolladores utilizan los arrays y las variantes de listas enlazadas para construir una gran variedad de estructuras de datos complejas. Este página explora dos de esas estructuras: las Pilas, las Colas . Cuando presentemos los algoritmos lo haremos úncamente en código Java por motivos de brevedad.

Pilas que "Recuerdan"

La Pila es una estrucutra de datos donde las inserciones y recuperaciones/borrados de datos se hacen en uno de los finales, que es conocido como el top de la pila. Como el último elemento insertado es el primero en recuperarse/borrarse, los desarrolladores se refieren a estas pilas como pilas LIFO (last-in, first-out).

Los datos se push (insertan) dentro y se pop (recuperan/borran) de la parte superior de la pila. La siguiente figura ilustra una pila con tres String cada uno insertado en la parte superior de la pila:

Como muestra la figura anterior, las pilas se construyen en memoria. Por cada dato insertado, el itém superior anterior y todos los datos inferiores se mueven hacia abajo. Cuando llega el momento de sacar un ítem de la pila, se recpupera y se borra de la pila el ítem superior (que en la figura anterior se revela como "third").

Las pilas son muy útiles en varios escenarios de programación. Dos de los más comunes son:

• • Pilas que contienen direcciones de retorno:

  • Cuando el código llama a un método, la dirección de la primera instrucción que sigue a la llamada se inserta en la parte superior de la pila de llamadas de métodos del thread actual. Cuando el método llamado ejecuta la instrucción return, se saca la dirección de la parte superior de la pila y la ejecución continúa en sa dirección. Si un método llama a otro método, el comportamiento LIFO de la pila asegura que la instrucción return del segundo método transfiere la ejecución al primer método, y la del primer método transfiere la ejecución al código que sigue al código que llamó al primer método. Como resultado una pila "recuerda" las direcciones de retorno de los métodos llamados.

  • Pilas que contienen todos los parámetros del método llamado y las variables locales:

  • Cuando se llama a un método, la JVM reserva memoria cerca de la dirección de retorno y almacena todos los parámetros del método llamado y las variables locales de ese método. Si el método es un método de ejemplar, uno de los parámetros que almacena en la pila es la referencia this del objeto actual.

Es muy común implementar una pila utilizando un array uni-dimensional o una lista de enlace simple. En el escenario del array uni-dimensional, una variable entera, típicamente llamada top, contiene el índice de la parte superior de la pila. De forma similar, una variable de referencia, también nombrada noramlmente como top, referencia el nodo superior del escenario de la lista de enlace simple.

He modelado mis implementaciones de pilas después de encontrar la arquitectura del API Collections de Java. Mis implementaciones constan de un interface Stack para una máxima flexibilidad, las clases de implementación ArrayStack y LinkedListStack, y una clase de soporte FullStackException. Para facilitar su distribución, he empaquetado estas clases en un paquete llamado com.javajeff.cds, donde cds viene de estructura de datos complejas. El siguiente listado presenta el interface Stack:

// Stack.java package com.javajeff.cds; public interface Stack { boolean isEmpty (); Object peek (); void push (Object o); Object pop (); }

Sus cuatro métodos determinan si la pila está vacía, recuperan el elemento superior sin borrarlo de la pia, situan un elemento en la parte superior de la pila y el último recuera/borra el elemento superior. Aparte de un constructor específico de la implementación, su programa únicamente necesita llamar a estos métodos.

El siguiente listado presenta una implementación de un Stack basado en un array uni-dimensional:

// ArrayStack.java package com.javajeff.cds; public class ArrayStack implements Stack { private int top = -1; private Object [] stack; public ArrayStack (int maxElements) { stack = new Object [maxElements]; } public boolean isEmpty () { return top == -1; } public Object peek () { if (top < 0) throw new java.util.EmptyStackException (); return stack [top]; } public void push (Object o) { if (top == stack.length - 1) throw new FullStackException (); stack [++top] = o; } public Object pop () { if (top < 0) throw new java.util.EmptyStackException (); return stack [top--]; } }

ArrayStack revela una pila como una combinación de un índice entero privado top y variables de referencia de un array uni-dimensional stack. top identifica el elemento superior de la pila y lo inicializa a -1 para indica que la pila está vacía. Cuando se crea un objeto ArrayStack llama a public ArrayStack(int maxElements) con un valor entero que representa el número máximo de elementos. Cualquier intento de sacar un elemento de una pila vacía mediante pop() resulta en el lanzamiento de una java.util.EmptyStackException. De forma similar, cualquier intento de poner más elementos de maxElements dentro de la pila utilizando push(Object o) lanzará una FullStackException, cuyo código aparece en el siguiente listado:

// FullStackException.java package com.javajeff.cds; public class FullStackException extends RuntimeException { }

Por simetría con EmptyStackException, FullStackException extiende RuntimeException. Como resultado no se necesita añadir FullStackException a la clausula throws del método.

El siguiente listado presenta una implementación de Stack utilizando una lista de enlace simple:

// LinkedListStack.java package com.javajeff.cds; public class LinkedListStack implements Stack { private static class Node { Object o; Node next; } private Node top = null; public boolean isEmpty () { return top == null; } public Object peek () { if (top == null) throw new java.util.EmptyStackException (); return top.o; } public void push (Object o) { Node temp = new Node (); temp.o = o; temp.next = top; top = temp; } public Object pop () { if (top == null) throw new java.util.EmptyStackException (); Object o = top.o; top = top.next; return o; } }

LinkedListStack revela una pila como una combinación de una clase anidada privada de alto nivel llamada Node y una variable de referencia privada top que se inicialia a null para indicar una pila vacía. Al contrario que su contrapartida del array uni-dimensional, LinkedListStack no necesita un constructor ya que se expande dinámicamente cuando se ponen los ítems en la pila. Así, void push(Object o) no necesita lanzar una FullStackException. Sin embargo, Object pop() si debe chequear si la pila está vacía, lo que podría resultar en el lanzamiento de una EmptyStackException.

Ahora que ya hemos visto el interface y las tres clases que generan mis implementaciones de las pilas, juguemos un poco. El siguiente listado muestra casi todo el soporte de pilas de mi paquete com.javajeff.cds:

// StackDemo.java import com.javajeff.cds.*; class StackDemo { public static void main (String [] args) { System.out.println ("ArrayStack Demo"); System.out.println ("---------------"); stackDemo (new ArrayStack (5)); System.out.println ("LinkedListStack Demo"); System.out.println ("--------------------"); stackDemo (new LinkedListStack ()); } static void stackDemo (Stack s) { System.out.println ("Pushing \"Hello\""); s.push ("Hello"); System.out.println ("Pushing \"World\""); s.push ("World"); System.out.println ("Pushing StackDemo object"); s.push (new StackDemo ()); System.out.println ("Pushing Character object"); s.push (new Character ('C')); System.out.println ("Pushing Thread object"); s.push (new Thread ("A")); try { System.out.println ("Pushing \"One last item\""); s.push ("One last item"); } catch (FullStackException e) { System.out.println ("One push too many"); } System.out.println (); while (!s.isEmpty ()) System.out.println (s.pop ()); try { s.pop (); } catch (java.util.EmptyStackException e) { System.out.println ("One pop too many"); } System.out.println (); } }

Cuando se ejecuta StackDemo, produce la siguiente salida:

ArrayStack Demo --------------- Pushing "Hello" Pushing "World" Pushing StackDemo object Pushing Character object Pushing Thread object Pushing "One last item" One push too many Thread[A,5,main] C StackDemo@7182c1 World Hello One pop too many LinkedListStack Demo -------------------- Pushing "Hello" Pushing "World" Pushing StackDemo object Pushing Character object Pushing Thread object Pushing "One last item" One last item Thread[A,5,main] C StackDemo@cac268 World Hello One pop too many

Priorizar con Colas

La Cola es una estructura de datos donde la inserción de ítem se hace en un final (el fin de la cola) y la recuperación/borrado de elementos se hace en el otro final (el inicio de la cola). Como el primer elemento insertado es el primero en ser recuperado, los desarrolladores se refieren a estas colas como estructuras FIFO (first-in, first-out).

Normalmente los desarrolladores tabajan con dos tipos de colas: lineal y circular. En ambas colas, la inserción de datos se realiza en el fin de la cola, se mueven hacia adelante y se recuperan/borran del incio de la cola. La siguiente figura ilustra las colas lineal y circular:

La cola lineal de la figura anterior almacena cuatro enteros, con el entero 1 en primer lugar. Esa cola está llena y no puede almacenar más datos adicionales porque rear identifica la parte final de la cola. La razón de la posición vacía, que identifica front, implica el comportamiento lineal de la cola. Inicialmente, front y rear identifican la posición más a la izquierda, lo que indica que la cola está vacía. Para almacenar el entero 1, rear avanza una posición hacia la derecha y almacena 1 en esa posición. Para recuperar/borrar el entero 1, front avanza una posición hacia la derecha.

Nota:

Para señalar que la cola lineal está vacía, no necesita gastar una posición, aunque esta aproximación algunas veces es muy conneniente. En su lugar asigne el mismo valor que indique una posición no existente a front y a rear. Por ejemplo, asumiendo una implementación basada en un array uni-dimensional, front y rear podrían contener -1. El índice 0 indica entonces la posición más a la izquierda, y los datos se insertarán empezando en este índice.

Cuando rear identifique la posición más a la derecha, la cola lineal podría no estar llena porque front podría haber avanzado almenos una posición para recuperar/borrar un dato. En este esceario, considere mover todos los ítems de datos hacia la izquierda y ajuste la posición de front y rear de la forma apropiada para crear más espacio. Sin embargo, demasiado movimiento de datos puede afectar al rendimiento, por eso debe pensar cuidadosamente en los costes de rendimiento si necesita crear más espacio.

La cola circular de la figura anterior tiene siete datos enteros, con el entero 1 primero. Esta cola está llena y no puede almacenar más datos hasta que front avance una posición en sentido horario (para recuperar el entero 1) y rear avance una posición en la misma direción (para identificar la posición que contendrá el nuevo entero). Al igual que con la cola lineal, la razon de la posición vacía, que identifica front, implica el comportamiento circular de la cola. Inicialmente, front y rear identifican la misma posición, lo que indica una cola vacía. Entonces rear avanza una posición por cada nueva inserción. De forma similar, front avanza una posición por cada recuperación/borrado.

Las colas son muy útiles en varios escenarios de programación, entre los que se encuentran:

• • Temporización de Threads:

  • Una JVM o un sistema operativo subyacente podrían establecer varias colas para coincidir con diferentes prioridades de los threads. La información del thread se bloquea porque todos los threads con una prioridad dada se almacenan en una cola asociada.

  • Trabajos de impresión:

  • Como una impresora normalmente es más lenta que un ordenador, un sistema operativo maneja los trabajos de impresión en un subsistema de impresión, que inserta esos trabajos de impresión en una cola. El primer trabajo en esa cola se imprime primero, y así sucesivamente.

Los desarrolladores normalmente utilizan una array uni-dimensional para implementar una cola. Sin embargo, si tienen que co-existir múltiple colas o las inserciones en las colas deben ocurrir en posiciones distintas a la última por motivos de prioridades, los desarrolladores suelen cambiar a la lista doblemente enlazada. Con un array uni-dimensional dos variables enteras (normalmente llamadas front y rear) contienen los índices del primer y último elemento de la cola, respectivamente. Mis implementaciones de colas lineales y circulares usan un array uni-dimensional y empiezan con el interface Queue que puede ver en el siguiente listado:

// Queue.java package com.javajeff.cds; public interface Queue { void insert (Object o); boolean isEmpty (); boolean isFull (); Object remove (); }

Queue declara cuatro métodos para almacenar un datos, determinar si la cola está vacía, determinar si la cola está llena y recuperar/borrar un dato de la cola. Llame a estos métodos (y a un constructor) para trabajar con cualquier implementación de Queue.

El siguiente listado presenta una a implementación de Queue de una cola lineal basada en un array uni-dimensional:

// ArrayLinearQueue.java package com.javajeff.cds; public class ArrayLinearQueue implements Queue { private int front = -1, rear = -1; private Object [] queue; public ArrayLinearQueue (int maxElements) { queue = new Object [maxElements]; } public void insert (Object o) { if (rear == queue.length - 1) throw new FullQueueException (); queue [++rear] = o; } public boolean isEmpty () { return front == rear; } public boolean isFull () { return rear == queue.length - 1; } public Object remove () { if (front == rear) throw new EmptyQueueException (); return queue [++front]; } }

ArrayLinearQueue revela que una cola es una combinación de variables privadas front, rear, y queue. front y rear se inicializan a -1 para indicar una cola vacía. Igual que el constructor de ArrayStack llama a public ArrayLinearQueue(int maxElements) con un valor entero que especifique el número máximo de elementos durante la construcción de un objeto ArrayLinearQueue.

El método insert(Object o) de ArrayLinearQueue lanza una FullQueueException cuando rear identifica el elemento final del array uni-dimensional. El código de FullQueueException aparece en el siguiente listado:

// FullQueueException.java package com.javajeff.cds; public class FullQueueException extends RuntimeException { }

El método remove() de ArrayLinearQueue lanza una EmptyQueueException cuando los objetos front y rear son iguales. El siguiente listado presenta el código de esta clase:

// EmptyQueueException.java package com.javajeff.cds; public class EmptyQueueException extends RuntimeException { }

El siguiente listado presenta una implementación de Queue para una cola circular basada en un array uni-dimensional:

// ArrayCircularQueue.java package com.javajeff.cds; public class ArrayCircularQueue implements Queue { private int front = 0, rear = 0; private Object [] queue; public ArrayCircularQueue (int maxElements) { queue = new Object [maxElements]; } public void insert (Object o) { int temp = rear; rear = (rear + 1) % queue.length; if (front == rear) { rear = temp; throw new FullQueueException (); } queue [rear] = o; } public boolean isEmpty () { return front == rear; } public boolean isFull () { return ((rear + 1) % queue.length) == front; } public Object remove () { if (front == rear) throw new EmptyQueueException (); front = (front + 1) % queue.length; return queue [front]; } }

ArrayCircularQueue revela una implementación, en terminos de variables privadas y un constructor, muy similar a ArrayLinearQueue. El método insert(Object o) es interesante porque guarda el valor actual de rear antes de hacer que esa variable apunte a la siguiente posición. Si la cola circular está llena, rear restaura su valor original antes de lanzar una FullQueueException. La restauración de rear es necesaria porque front es igual a rear (en ese punto), y una subsecuente llamada a remove() resulta en la lanzamiento de una EmptyQueueException (incluso aunque la cola circular no esté vacía).

Después de estudiar el código del interface y de varias clases que lo implementan basándose en arrays uni-dimensionales, consideremos en el siguiente listado una aplicación que demuestra las colas lineales y circulares:

// QueueDemo.java import com.javajeff.cds.*; class QueueDemo { public static void main (String [] args) { System.out.println ("ArrayLinearQueue Demo"); System.out.println ("---------------------"); queueDemo (new ArrayLinearQueue (5)); System.out.println ("ArrayCircularQueue Demo"); System.out.println ("---------------------"); queueDemo (new ArrayCircularQueue (6)); // Need one more slot because // of empty slot in circular // implementation } static void queueDemo (Queue q) { System.out.println ("Is empty = " + q.isEmpty ()); System.out.println ("Is full = " + q.isFull ()); System.out.println ("Inserting \"This\""); q.insert ("This"); System.out.println ("Inserting \"is\""); q.insert ("is"); System.out.println ("Inserting \"a\""); q.insert ("a"); System.out.println ("Inserting \"sentence\""); q.insert ("sentence"); System.out.println ("Inserting \".\""); q.insert ("."); try { System.out.println ("Inserting \"One last item\""); q.insert ("One last item"); } catch (FullQueueException e) { System.out.println ("One insert too many"); System.out.println ("Is empty = " + q.isEmpty ()); System.out.println ("Is full = " + q.isFull ()); } System.out.println (); while (!q.isEmpty ()) System.out.println (q.remove () + " [Is empty = " + q.isEmpty () + ", Is full = " + q.isFull () + "]"); try { q.remove (); } catch (EmptyQueueException e) { System.out.println ("One remove too many"); } System.out.println (); } }

Cuando se ejecuta QueueDemo, se produce la siguiente salida:

ArrayLinearQueue Demo --------------------- Is empty = true Is full = false Inserting "This" Inserting "is" Inserting "a" Inserting "sentence" Inserting "." Inserting "One last item" One insert too many Is empty = false Is full = true This [Is empty = false, Is full = true] is [Is empty = false, Is full = true] a [Is empty = false, Is full = true] sentence [Is empty = false, Is full = true] . [Is empty = true, Is full = true] One remove too many ArrayCircularQueue Demo --------------------- Is empty = true Is full = false Inserting "This" Inserting "is" Inserting "a" Inserting "sentence" Inserting "." Inserting "One last item" One insert too many Is empty = false Is full = true This [Is empty = false, Is full = false] is [Is empty = false, Is full = false] a [Is empty = false, Is full = false] sentence [Is empty = false, Is full = false] . [Is empty = true, Is full = false] One remove too many

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