Collections — различия между версиями

/// Модуль содержит шаблоны классов
///   SingleNode — узла с одним полем связи
///   DoubleNode — узла с двумя полями связи
unit Nodes;

interface

type

//-------------------------------------------SINGLE_NODE-------------------------------------------
  /// Узел с одним полем связи
  SingleNode<DataType> = class
    /// Значение узла
    data: DataType;
    /// Ссылка на следующий элемент
    next: SingleNode<DataType>;
    
    /// <summary>
    /// Конструктор
    /// </summary>
    /// <param name="pData">Значение узла</param>
    /// <param name="pNext">Ссылка на следующий элемент</param>
    constructor Create(pData: DataType; pNext: SingleNode<DataType>);
  end;

// -------------------------------------------DOUBLE_NODE------------------------------------------  
  /// Узел с двумя полями связи
  DoubleNode<DataType> = class
    /// Значение узла
    data: DataType;
    /// Ссылка на следующий элемент
    next: DoubleNode<DataType>;
    /// Ссылка на предыдущий элемент
    prev: DoubleNode<DataType>;
    
    /// <summary>
    /// Конструктор
    /// </summary>
    /// <param name="pData">Значение узла</param>
    /// <param name="pNext">Ссылка на следующий элемент</param>
    /// <param name="pPrev">Ссылка на предыдущий элемент</param>
    constructor Create(pData: DataType; pPrev, pNext: DoubleNode<DataType>);
  end;

implementation

//-------------------------------------------SINGLE_NODE-------------------------------------------
{Конструктор
    pData — значение узла
    pNext — cсылка на следующий элемент}
constructor SingleNode<DataType>.Create(pData: DataType; pNext: SingleNode<DataType>);
begin
  data := pData;
  next := pNext;
end;

// -------------------------------------------DOUBLE_NODE------------------------------------------  
{Конструктор
    pData — значение узла
    pNext — cсылка на следующий элемент
    pPrev — ссылка на предыдущий элемент}
constructor DoubleNode<DataType>.Create(pData: DataType; pPrev, pNext: DoubleNode<DataType>);
begin
  data := pData;
  next := pNext;
  prev := pPrev;
end;

end.

/// Модуль содержит шаблоны классов
///   Stack — стек
///   Queue — очередь
///   DynArray — динамический массив с автоконтролем памяти
///   SimpleSet — простое множество (с минимальным набором операций)
///   AssocArray — ассоциативный массив
unit Collections;
 
interface
 
uses Nodes;   // для использования типа SingleNode<DataType> — 
              // узла с одним полем связи
 
 
// --------------------------------------------- STACK --------------------------------------------
type
  /// Шаблон класса Stack [Стек]
  Stack<DataType> = class
  private 
    /// Вершина стека
    fTop: SingleNode<DataType> := nil; 
 
  public 
    // ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
    /// Создает пустой стек
    constructor Create;
 
    /// <summary>
    /// Кладет элемент на вершину стека
    /// </summary>
    /// <param name="x">Новый элемент</param>
    procedure Push(x: DataType);
    /// Возвращает значение элемента на вершине, снимая его со стека
    function Pop: DataType;
    /// Возвращает значение элемента на вершине стека, не снимая его
    function Top: DataType;
 
    /// Возвращает истину, если стек пуст
    function IsEmpty: boolean; 
    // ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
    /// Выводит содержимое стека на консоль
    procedure Println();
  end;
 
 
// --------------------------------------------- QUEUE --------------------------------------------
type  
  /// Шаблон класса Queue [Очередь]
  Queue<DataType> = class
  private
    /// Голова очереди
    head: SingleNode<DataType>;
    /// Хвост очереди
    tail: SingleNode<DataType>;
 
  public
    // ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
    /// Создает пустую очередь
    constructor Create;
 
    /// <summary>
    /// Добавляет элемент в хвост очереди
    /// </summary>
    /// <param name="x">Добавляемый элемент</param>
    procedure Enqueue(x: DataType);
    /// Возвращает значение элемента в голове, удаляя его из очереди
    function Dequeue: DataType;
    /// Возвращает значение элемента в голове очереди, не удаляя его
    function Top: DataType;
 
    /// Возвращает истину, если очередь пуста
    function IsEmpty: boolean;
 
    // ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
    /// Выводит содержимое очереди на консоль
    procedure Println();
  end;
 
 
// ------------------------------------------- DYN_ARRAY ------------------------------------------
const
  /// Минимальная емкость, устанавливаемая при создании массива
  MIN_CAP = 4;
  /// Коэффициент увеличения емкости массива при её нехватке
  INC_CAP_FACTOR = 2;
 
type
  /// Шаблон класса DynArray [Динамический массив с автоконтролем памяти]
  DynArray<DataType> = class
  private
    /// Встроенный динамический массив, содержащий данные
    data: array of DataType;
    /// Размер массива
    size: integer;
    /// Емкость массива
    cap: integer;
 
    /// Устанавливает элемент с индексом ind равным x
    procedure SetElem(ind: integer; x: DataType);
    /// Возвращает элемент массива с индексом ind
    function GetElem(ind: integer): DataType;
 
  public
    // ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
    /// Создает массив размера pSize
    constructor Create(pSize: integer := 0);
 
    /// <summary>
    /// Выделяет новую память. Емкость увеличивается.
    /// (Если newCap меньше текущей емкости, ничего не происходит) 
    /// </summary>
    /// <param name="newCap">Новая емкость массива</param>
    procedure Reserve(newCap: integer);
    /// <summary>
    /// Устанавливает новый размер массива 
    /// </summary>
    /// <param name="newSize">Новый размер массива</param>
    procedure Resize(newSize: integer);
 
    /// <summary>
    /// Добавляет элемент в конец массива 
    /// </summary>
    /// <param name="x">Добавляемый элемент</param>
    procedure Add(x: DataType);
    /// <summary>
    /// Вставляет элемент в указанную позицию
    /// </summary>
    /// <param name="pos">Позиция, в которую вставляется элемент</param>
    /// <param name="x">Вставляемый элемент</param>
    procedure Insert(pos: integer; x: DataType);
    /// <summary>
    /// Удаляет элемент массива из указанной позиции
    /// </summary>
    /// <param name="pos">Позиция, из которой удаляется элемент</param>
    procedure Remove(pos: integer);
 
    /// <summary>
    /// Возвращает индекс первого элемента массива равного искомому
    /// или -1, если такого элемента нет
    /// </summary>
    /// <param name="x">Искомый элемент</param>
    function Find(x: DataType): integer;
 
    // --------------------------------- Свойства --------------------------------
    /// Количество элементов (размер) массива
    property Count: integer read size write Resize;
    /// Емкость массива (отведенная память)
    property Capacity: integer read cap write Reserve;
 
    /// Позволяет обращаться к элементам массива по индексу 
    /// (например, apples[5])
    property Elem[index: integer]: DataType read GetElem write SetElem; default;
 
    // ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
    /// Выводит содержимое массива на консоль
    procedure Println();
    /// Выводит содержимое массива на консоль в обратном порядке
    procedure PrintlnReverse();
  end;
 
// ------------------------------------------- SIMPLE_SET -----------------------------------------
type 
  /// Шаблон класса SimpleSet [Простое множество]
  SimpleSet<DataType> = class 
  private
    /// Элементы множества
    data := new DynArray<DataType>;
 
  public
    /// <summary>
    /// Добавляет элемент во множество
    /// </summary>
    /// <param name="x">Добавляемый элемент</param>    
    procedure Add(x: DataType);
    /// <summary>
    /// Удаляет элемент из множества
    /// </summary>
    /// <param name="x">Удаляемый элемент</param>
    procedure Remove(x: DataType);
 
    /// <summary>
    /// Возвращает истину, если множество содержит элемент
    /// </summary>
    /// <param name="x">Искомый элемент</param>          
    function Contains(x: DataType): boolean;   
 
    // ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
    ///Выводит содержимое множества на консоль
    procedure Println();
end;
 
// ------------------------------------------- ASSOC_ARRAY ----------------------------------------
type
  /// Шаблон класса AssocArray [Ассоциативный массив]
  AssocArray<KeyType, ValueType> = class
  private
    /// Ключи
    keys: DynArray<KeyType> := new DynArray<KeyType>;
    /// Значения, соответствующие ключам
    values: DynArray<ValueType> := new DynArray<ValueType>;
 
    /// Устанавливает значение элемента с ключом key равным value
    procedure SetElem(key: KeyType; value: ValueType);
    /// Возвращает значение элемента с ключом key
    function GetElem(key: KeyType): ValueType;
 
  public
    // --------------------------------- Свойства --------------------------------
    /// Позволяет обращаться к элементам массива по ключу
    /// (Например, zoo['крокодил'])
    property Elem[key: KeyType]: ValueType read GetElem write SetElem; default;
    
    // ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
    ///Выводит содержимое ассоциативного массива на консоль
    procedure Println();
  end;
 
 
 // ================================================================= IMPLEMENTATION ===================================================================
implementation
 
 
// --------------------------------------------- STACK --------------------------------------------
 
// ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
{Создает пустой стек}
constructor Stack<DataType>.Create;
begin
  fTop := nil;
end;
 
{Кладет элемент x на вершину стека} 
procedure Stack<DataType>.Push(x: DataType);
begin
  fTop := new SingleNode<DataType>(x, fTop);
end;
 
{Возвращает значение элемента на вершине, снимая его со стека}
function Stack<DataType>.Pop: DataType;
begin
  if IsEmpty then 
     raise new Exception('Попытка снятия элемента с пустого стека!');
 
  result := fTop.data;
  fTop := fTop.next;  // элемент снимается с вершины стека
                      // (т.е. вершиной становится следующий элемент)
end;
 
{Возвращает значение элемента на вершине стека, не снимая его}
function Stack<DataType>.Top: DataType;
begin
  if IsEmpty then 
     raise new Exception('Попытка получения элемента с пустого стека!');
 
  result := fTop.data;
end;
 
{Возвращает истину, если стек пуст}
function Stack<DataType>.IsEmpty: boolean;
begin
  result := (fTop = nil);
end;
 
// ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
{Выводит содержимое стека на консоль}
procedure Stack<DataType>.Println();
begin
  if not IsEmpty then
  begin
    var curElem := fTop;
 
    while curElem <> nil do
    begin
      write(curElem.data, ' ');
      curElem := curElem.next;
    end;
  end;
  writeln();
end;
 
 
// --------------------------------------------- QUEUE --------------------------------------------
 
// ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
{Создает пустую очередь}
constructor Queue<DataType>.Create;
begin
  head := nil;
  tail := nil;
end;
 
{Добавляет элемент x в хвост очереди} 
procedure Queue<DataType>.Enqueue(x: DataType);
begin
  if IsEmpty then
  begin
    head := new SingleNode<DataType>(x, nil);
    tail := head;
  end
  else
  begin
    tail.next := new SingleNode<DataType>(x, nil);
    tail := tail.next;  // элемент удаляется из хвоста очереди
                        // (т.е. хвостом становится следующий элемент)
  end;
end;
 
{Возвращает значение элемента в голове, удаляя его из очереди}
function Queue<DataType>.Dequeue: DataType;
begin
  if IsEmpty then 
     raise new Exception('Попытка удаления элемента из пустой очереди!');
 
  result := head.data;
  head := head.next;  // элемент удаляется из головы очереди
                      // (т.е. головой становится следующий элемент)
  if head = nil then
    tail := nil;
end;
 
{Возвращает значение элемента в голове очереди, не удаляя его}
function Queue<DataType>.Top: DataType;
begin
  if IsEmpty then 
     raise new Exception('Попытка получения элемента из пустой очереди!');
 
  result := head.data;
end;
 
{Возвращает истину, если очередь пуста}
function Queue<DataType>.IsEmpty: boolean;
begin
  result := (head = nil);
  if result then
    Assert(tail = nil);
end;
 
// ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
{Выводит содержимое очереди на консоль}
procedure Queue<DataType>.Println();
begin
  if not IsEmpty then
  begin
    var curElem := head;
 
    while curElem <> nil do
    begin
      write(curElem.data, ' ');
      curElem := curElem.next;
    end;
  end;
  writeln();
end;
 
 
// -------------------------------------------DYN_ARRAY ------------------------------------------   
 
// ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
{Создает массив размера pSize}
constructor DynArray<DataType>.Create(pSize: integer);
begin
  if pSize < 0 then
    raise new Exception('Попытка присвоить размеру массива отрицательное значение ' + IntToStr(pSize) + '!');
 
  size := pSize;
  cap := INC_CAP_FACTOR*pSize + MIN_CAP; // Устанавливаем емкость "с запасом"
  SetLength(data, cap);
end;
 
{Выделяет новую память. Емкость увеличивается до newCap.
 (Если newCap меньше текущей емкости, ничего не происходит) }
procedure DynArray<DataType>.Reserve(newCap: integer);
begin
  if newCap > cap then 
  begin
    SetLength(data, newCap);
    cap := newCap;
  end;
end;
 
{Устанавливает новый размер массива равным newSize}
procedure DynArray<DataType>.Resize(newSize: integer);
begin
  if newSize < 0 then
    raise new Exception('Попытка присвоить размеру массива отрицательное значение ' + IntToStr(newSize) + '!');
 
  if newSize > cap then
  begin
    Reserve(INC_CAP_FACTOR * newSize);
    for var i := size to newSize - 1 do // явным образом заполняем новые элементы
      data[i] := default(DataType);
  end
  else if newSize < size then
    for var i := newSize to size - 1 do
      data[i] := default(DataType);
  size := newSize;
end;
 
{Добавляет элемент x в конец массива }
procedure DynArray<DataType>.Add(x: DataType);
begin
  Resize(size + 1);
  data[size-1] := x;
end;
 
{Вставляет x элемент в позицию pos}
procedure DynArray<DataType>.Insert(pos: integer; x: DataType);
begin
  if (pos < 0) or (pos > size-1) then 
     raise new Exception(
     'Попытка вставки за границей массива в позицию ' + IntToStr(pos) + '!');
 
  Resize(size + 1);
  for var i := size - 2 downto pos do
    data[i+1] := data[i];
  data[pos] := x;
end;
 
{Удаляет элемент массива из позиции pos}
procedure DynArray<DataType>.Remove(pos: integer);
begin
  if (pos < 0) or (pos > size-1) then 
     raise new Exception(
     'Попытка удаления за границей массива из позиции ' + IntToStr(pos) + '!');
 
  for var i := pos to size - 2 do // сдвиг элементов влево на 1, начиная с позиции pos
    data[i] := data[i+1];
  Resize(size - 1);
end;
 
{Возвращает индекс первого элемента массива равного x
 или -1, если такого элемента нет}
function DynArray<DataType>.Find(x: DataType): integer;
begin
  result := -1;
  for var i := 0 to size - 1 do
    if data[i] = x then
    begin
      result := i;
      exit;
    end;
end;
 
// ---------------------------- Доступ к элементам ---------------------------
{Устанавливает элемент с индексом ind равным x}
procedure DynArray<DataType>.SetElem(ind: integer; x: DataType);
begin
  if (ind < 0) or (ind > size-1) then 
     raise new Exception(
     'Попытка присвоить значение элементу за границей массива с индексом ' + IntToStr(ind) + '!');
 
  data[ind] := x;
end;
 
{Возвращает элемент массива с индексом ind}
function DynArray<DataType>.GetElem(ind: integer): DataType;
begin
  if (ind < 0) or (ind > size-1) then 
     raise new Exception(
     'Попытка получить значение элемента за границей массива с индексом ' + IntToStr(ind) + '!');
 
  result := data[ind];
end;
 
// ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
{Выводит содержимое массива на консоль}
procedure DynArray<DataType>.Println();
begin
  for var i := 0 to size - 1 do
      write(data[i], ' '); 
  writeln();
end;
 
{Выводит содержимое массива на консоль в обратном порядке}
procedure DynArray<DataType>.PrintlnReverse();
begin
  for var i := size - 1 downto 0 do
      write(data[i], ' '); 
  writeln();
end;
 
 
// ------------------------------------------- SIMPLE_SET -----------------------------------------

// ---------------------------- Стандартные методы ---------------------------
{Добавляет элемент x во множество}     
procedure SimpleSet<DataType>.Add(x: DataType);
begin
  if data.Find(x) = -1 then 
    data.Add(x);
end;
 
{Удаляет элемент x из множества}
procedure SimpleSet<DataType>.Remove(x: DataType);
begin
  var xPos := data.Find(x);
  if xPos <> -1 then
    data.Remove(xPos);
end;
 
{Возвращает истину, если множество содержит элемент x}    
function SimpleSet<DataType>.Contains(x: DataType): boolean;
begin
  result := (data.Find(x) <> -1);
end;
 
// ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
 {Выводит содержимое множества на консоль}
procedure SimpleSet<DataType>.Println();
begin
  data.Println;
end;
 
 
// ------------------------------------------- ASSOC_ARRAY ----------------------------------------

// ---------------------------- Доступ к элементам ---------------------------
{Устанавливает значение элемента с ключом key равным value}
procedure AssocArray<KeyType, ValueType>.SetElem(key: KeyType; value: ValueType);
begin
  var ind := Keys.Find(key);
  if ind <> -1 then
    Values[ind] := value
  else
  begin
    Keys.Add(key);
    Values.Add(value);
  end;
end;
 
{Возвращает значение элемента с ключом key}
function AssocArray<KeyType, ValueType>.GetElem(key: KeyType): ValueType;
begin
  var ind := Keys.Find(key);
  if ind <> -1 then
    result := Values[ind]
  else
  begin
    Keys.Add(key);
    Values.Add(default(ValueType));
    result := default(ValueType);
  end;
end;

// ---------------------------------- Вывод ----------------------------------
{Выводит содержимое ассоциативного массива на консоль}
procedure AssocArray<KeyType, ValueType>.Println();
begin
  for var i := 0 to keys.Count - 1 do
    writeln(keys[i], ': ', values[i]);
end;
 
end.

uses Collections;

begin
  // Создание нового объекта стека
  var s := new Stack<integer>;
  
  // Проверка стека на пустоту
  writeln('Стек пуст: ', s.IsEmpty);
  writeln();
  
  // Добавление нового элемента на вершину стеку
  s.Push(5);
  writeln('Стек пуст: ', s.IsEmpty);
  s.Push(7);
  // Вывод элемента на вершине стека
  writeln('Вершина стека = ', s.Top);
  writeln();
  
  s.Push(-11);
  // Вывод элемента на вершине стека и снятие его со стека
  writeln('Вершина стека = ', s.Pop);
  writeln('Вершина стека после снятия предыдущей = ', s.Top);
  writeln();
  
  s.Push(105); s.Push(-69);
  writeln('Содержимое всего стека:');
  s.Println;
  writeln();
  
  // Снятие всех элементов со стека
  while not s.IsEmpty do
    write(s.Pop, ' ');
  writeln(NewLine);
  
  // Обработка исключения при попытке чтения элемента 
  // на вершине пустого стека
  try
    s.Top;
  except
    on e: Exception do
      writeln(e);
  end;
end.

uses Collections;

begin
  // Создание нового объекта очереди
  var q := new Queue<integer>;
  
  // Проверка очереди на пустоту
  writeln('Очередь пуста: ', q.IsEmpty);
  writeln();
  
  // Добавление элемента в хвост очереди
  q.Enqueue(-8);
  writeln('Очередь пуста: ', q.IsEmpty);
  q.Enqueue(43);
  // Вывод головы очереди
  writeln('Голова очереди = ', q.Top);
  writeln();
  
  q.Enqueue(-15);
  // Вывод головы и удаление её из очереди
  writeln('Голова очереди = ', q.Dequeue);
  writeln('Голова очереди после убирания предыдущей = ', q.Top);
  writeln();
  
  q.Enqueue(11); q.Enqueue(136);
  // Вывод содержимого очереди
  writeln('Содержимое всей очереди:');
  q.Println;
  writeln();
  
  // Удаление всех элементов из очереди
  while not q.IsEmpty do
    write(q.Dequeue, ' ');
  writeln(NewLine);
  
  // Обработка исключения при попытке чтения элемента 
  // в голове пустой очереди
  try
    q.Top;
  except
    on e: Exception do
      writeln(e);
  end;
end.

uses Collections;

begin
  // Создание объекта динамического массива
  var d := new DynArray<integer>(0);
  
  // Вывод размера массива
  writeln('Размер массива = ', d.Count);  writeln();
  
  // Добавление элемента в массив
  d.Add(15);  d.Add(-9);  d.Add(136);
  
  // Вывод содержимого массива
  writeln('Содержимое всего массива:');
  d.Println;  writeln();
  
  // Вставка элемента x в позицию pos
  d.Insert(2, 47);
  
  writeln('Содержимое всего массива после вставки элемента:');
  d.Println;  writeln();
  
  // Доступ к элементу по индексу
  d[0] := 61;
  writeln('Содержимое всего массива после изменения первого элемента:');
  d.Println;  writeln();
  
  d.Insert(d.Count-1, -8);
  writeln('Содержимое всего массива после вставки элемента:');
  d.Println;  writeln();
  
  // Удаление элемента
  d.Remove(3);
  writeln('Содержимое всего массива после удаления элемента:');
  d.Println;  writeln();
  
  // Изменение размера с помощью метода
  d.Resize(d.Count + 3);
  writeln('Размер массива = ', d.Count);  writeln();
  
  // Изменение размера с помощью свойства
  d.Count := d.Count - 1;
  writeln('Размер массива = ', d.Count);  writeln();
  
  writeln('Содержимое всего массива:');
  d.Println;  writeln();
  
  writeln('Емкость массива = ', d.Capacity);
  // Увеличение емкости массива
  d.Reserve(d.Capacity + 5);
  writeln('Емкость массива после увеличения = ', d.Capacity);
  // Попытка уменьшить емкость массива
  d.Reserve(3);
  writeln('Емкость массива после попытки уменьшения = ', d.Capacity); writeln();
  
  // Вывод индекса искомого элемента массива
  writeln('Индекс элемента 47 = ', d.Find(47));
  writeln('Индекс элемента -54 = ', d.Find(54), ' (т.е. такого элемента в массиве нет)');  writeln();
  
  // Обработка исключения при выходе за границы диапазона
  try
    d.Remove(d.Count + 3);
  except
    on e: Exception do
      writeln(e);
  end;
end.

uses Collections;

begin
  // Создание нового объекта простого множества
  var ss := new SimpleSet<integer>;
  
  // Добавление элемента во множество
  ss.Add(5);  ss.Add(-32);  ss.Add(-7);  ss.Add(43);
  
  // Вывод множества
  writeln('Содержимое множества:');
  ss.Println;   
  writeln();
  
  // Проверка, содержится ли элемент во множестве
  writeln('97 содержится во множестве: ', ss.Contains(97));
  writeln('5 содержится во множестве: ', ss.Contains(5));
  writeln();
  
  // Удаление элемента из множества
  ss.Remove(8);
  ss.Remove(-32);
  
  writeln('Содержимое множества после удаления элементов:');
  ss.Println;   writeln();
end.