Курсовая работа: Програма для сортування даних методом піраміди
Міністерство освіти та науки України
Кіровоградський Державний Технічний університет
Кафедра програмного забезпечення
Курсовий проект
з дисципліни
“Програмування на мові ASM-86"
на тему:
“Програма для сортування даних методом піраміди ”
Зміст
3. Обгрунтування вибору методів розв’язку задачі
1. Вступ
В наш час нові інформаційні технології посідають дуже важливе місце не лише в спеціалізованих, але й в повсякденних сферах життя. Комп’ютери застосовуються в бізнесі, менеджменті, торгівлі, навчанні та багатьох інших сферах діяльності людини.
Комп’ютерні технології дуже зручні для виконання різноманітних операцій, але в різних сферах застосування ці операції різні. Тому, кожна окрема галузь, яка використовує специфічні технічні засоби, потребує своїх власних програм, які забезпечують роботу комп’ютерів.
Розробкою програмного забезпечення займається така галузь науки, як програмування. Вона набуває все більшого й більшого значення останнім часом, адже з кожним днем комп’ютер стає все більш необхідним, все більш повсякденним явищем нашого життя. Адже обчислювальна техніка минулих років вже майже повністю вичерпала себе і не задовольняє тим потребам, що постають перед людством.
Таким чином, нові інформаційні технології дуже актуальні в наш час і потребують багато уваги для подальшої розробки та вдосконалення. Поряд з цим, велике значення має також і програмування, яке є одним із фундаментальних розділів інформатики і тому не може залишатись осторонь.
Програмування містить цілу низку важливих внутрішніх задач. Однією з найбільш важливих таких задач для програмування є задача сортування. Під сортуванням звичайно розуміють перестановки елементів будь-якої послідовності у визначеному порядку. Ця задача є однією з найважливіших тому, що її метою є полегшення подальшої обробки певних даних і, насамперед, задачі пошуку. Так, одним з ефективних алгоритмів пошуку є бінарний пошук. Він працює швидше ніж, наприклад, лінійний пошук, але його можливо застосовувати лише за умови, що послідовність вже упорядкована, тобто відсортована.
Взагалі, відомо, що в будь-якій сфері діяльності, що використовує комп’ютер для запису, обробки та збереження інформації, усі дані зберігаються в базах даних, які також потребують сортування. Певна впорядкованість для них дуже важлива, адже користувачеві набагато легше працювати з даними, що мають певний порядок. Так, можна розташувати всі товари по назві або відомості про співробітників чи студентів за прізвищем або роком народження, тощо.
Задача сортування в програмуванні не вирішена повністю. Адже, хоча й існує велика кількість алгоритмів сортування, все ж таки метою програмування є не лише розробка алгоритмів сортування елементів, але й розробка саме ефективних алгоритмів сортування. Ми знаємо, що одну й ту саму задачу можна вирішити за допомогою різних алгоритмів і кожен раз зміна алгоритму приводить до нових, більш або менш ефективних розв’язків задачі. Основними вимогами до ефективності алгоритмів сортування є перш за все ефективність за часом та економне використання пам’яті. Згідно цих вимог, прості алгоритми сортування (такі, як сортування вибором і сортування включенням) не є дуже ефективними.
Алгоритм сортування обмінами, хоча і завершує свою роботу (оскільки він використовує лише цикли з параметром і в тілі циклів параметри примусово не змінюються) і не використовує допоміжної пам’яті, але займає багато часу. Навіть, якщо внутрішній цикл не містить жодної перестановки, то дії будуть повторюватись до тих пір, поки не завершиться зовнішній цикл.
Алгоритм сортування вибором ефективніше сортування обмінами за критерієм М (n), тобто за кількістю пересилань, але також є не дуже ефективним. З цих причин було розроблено деякі нові алгоритми сортування, що отримали назву швидких алгоритмів сортування. Це такі алгоритми, як сортування деревом, пірамідальне сортування, швидке сортування Хоара та метод цифрового сортування.
2. Постановка задачі
Необхідно розробити програму, в якій реалізувати алгоритм сортування методом піраміди. Ця програма буде застосовуватись для сортування числових даних у файлі.
3. Обгрунтування вибору методів розв’язку задачі
Алгоритм пірамідального сортування HeapSort використовує представлення масиву у виді дерева. Цей алгоритм не вимагає допоміжних масивів, сортуючи “на місці". Розглянемо спочатку метод представлення масиву у виді дерева:
Нехай A [1. n] - деякий масив. Зіставимо йому дерево, використовуючи наступні правила:
1. A [1] - корінь дерева;
2. Якщо A [i] - вузол дерева і 2i Ј n,
то A [2*i] - вузол - “лівий син" вузла A [i]
3. Якщо A [i] - вузол дерева і 2i + 1 Ј n,
то A [2*i+1] - вузол - “правий син" вузла A [i]
Правила 1-3 визначають у масиві структуру дерева, причому глибина дерева не перевершує [log2 n] + 1. Вони ж задають спосіб руху по дереву від кореня до листків. Рух вгору задається правилом 4:
4. Якщо A [i] - вузол дерева і i > 1,то A [i mod 2] - вузол - “батько" вузла A [i] ;
Приклад: Нехай
A = [45 13 24 31 11 28 49 40 19 27]
- масив. Відповідне йому дерево має вид:
Зверніть увагу на те, що всі рівні дерева, за винятком останнього, цілком заповнені, останній рівень заповнений ліворуч і індексація елементів масиву здійснюється вниз і праворуч. Тому дерево упорядкованого масиву відповідає наступним властивостям:
A [i] (A [2*i], A [i] (A [2*i+1], A [2*i] (A [2*i+1].
Як це не дивно, алгоритм HeapSort спочатку будує дерево, що відповідає прямо протилежним співвідношенням:
A [i] і A [2*i], A [i] і A [2*i+1]
а потім змінює місцями A [1] (найбільший елемент) і A [n].
Як і TreeSort, алгоритм HeapSort працює в два етапи:
I. Побудова сортуючого дерева;
II. Просівання елементів по сортуючому дереву.
Дерево, що представляє масив, називається сортуючим, якщо виконуються умови (6). Якщо для деякого i ця умова не виконується, будемо говорити, що має місце (сімейний) конфлікт у трикутнику i.
Як на I-ом, так і на II-ому етапах елементарна дія алгоритму полягає в вирішенні сімейного конфлікту: якщо найбільший із синів більше, ніж батько, то переставляються батько і цей син (процедура ConSwap).
У результаті перестановки може виникнути новий конфлікт у тому трикутнику, куди переставлений батько. У такий спосіб можна говорити про конфлікт (роду) у піддереві з коренем у вершині i. Конфлікт роду вирішується послідовним вирішенням сімейних конфліктів проходом по дереву вниз. (На мал шлях вирішення конфлікту роду у вершині 2 відзначений). Конфлікт роду вирішено, якщо прохід закінчився (i > n div 2), або ж в результаті перестановки не виник новий сімейний конфлікт.
I етап - побудова сортуючого дерева - оформимо у виді рекурсивної процедури, використовуючи визначення:
Якщо ліве і праве піддерева T (2i) і T (2i+1) дерева T (i) є сортуючими, то для перебудови T (i) необхідно вирішити конфлікт роду в цьому дереві.
На II-ом етапі - етапі просівання - для k від n до 2 повторюються наступні дії:
1. Переставити A [1] і A [k] ;
2. Побудувати сортуюче дерево початкового відрізка масиву A [1. k-1], усунувши конфлікт роду в корені A [1]. Відзначимо, що 2-а дія вимагає введення в процедуру Conflict параметра k.
Нескладно підрахувати, що
С (n) = O (n log2 n), М (n) = O (n log2 n)
4. Алгоритм програми
Записи R1. Rn вміщені в масиві. Сортування здійснюється за таким спільним алгоритмом:
1. Встановити l= [N/2] +1, r=n
2. Якщо l>1, то зменшити його на 1, R=R1. (Якщо l=1, це означає,що процес сортування завершено). Інакше встановити R=Rr, Rr=R1, r=r-1. Якщо r=1, то встановити R1=R і завершити роботу.
3. Приготуватися до перестановок (j=l)
4. Встановити i=j та j=j*2. Якщо j<r, то перейти в п.5, якщо j=r, то перейти до п.6, інакше - до п.8.
5. Якщо Kj>Kj+1, то j=j+1
6. Якщо К>Кj, то перейти до п.8.
7. Ri=Rj, перейти до п.4.
8. Ri=R, повернутися до п.2.
5. Реалізація програми
Після запуску програма зчитує з вхідного файла байти для сортування. Після цього викликається процедура sort_start, яка запускає процес сортування. При сортуванні використовується рекурсивний алгоритм виклику функцій sorttree, conflict та conswap. При сортуванні інформація записується в потрібне місце масиву згідно описаного вище алгоритму.
Після закінчення сортування програма створює вихідний файл і записує в нього відсортований масив.
6. Системні вимоги
Операційна системаDOS
CPUINTEL 8086 або ст.
RAM640 K
VIDEOCGA або старший
7. Інструкція для користувача
Перед запуском програми треба відредагувати або створити файл piramid. dat. Він у кожному байті (до 255) може містити 1-байтні числа. Для редагування зручно, наприклад, користуватися редактором VC у HEX-режимі.
Після цього треба запустити файл piramid,com. Після її роботи, якщо не виникне помилок, з’явиться файл piramid. out, який буде містити ті ж байти, що і вхідний, але у відсортованому порядку.
Висновки
Отже, ми розглянули як працює алгоритм пірамідального сортування і спробували визначити його складність.
Застосування того чи іншого алгоритму сортування для вирішення конкретної задачі є досить складною проблемою, вирішення якої потребує не лише досконалого володіння саме цим алгоритмом, але й всебічного розглядання того чи іншого алгоритму, тобто визначення усіх його переваг і недоліків.
Звичайно, необхідність застосування саме швидких алгоритмів сортування очевидна. Адже прості алгоритми сортування не дають бажаної ефективності в роботі програми. Але завжди треба пам’ятати й про те, що кожний швидкий алгоритм сортування поряд із своїми перевагами може містити і деякі недоліки.
Розглядаючи такий швидкий алгоритм сортування, як пірамідальне сортування, можна зазначити, що цей алгоритм ефективний, адже він сортує “на місці", тобто він не потребує додаткових масивів. Крім того, цей алгоритм оптимальний: його складність співпадає з нижньою оцінкою задачі, тобто за критеріями C (n) та M (n) він має складність O (n log2 n), але містить складний елемент в умові. Тобто, в умові A [left] має бути строго менше ніж x, а A [right] - строго більше за x. Якщо ж замість “строго більше” та “строго менше" поставити знаки, що позначають “більше, або дорівнює” та “менше, або дорівнює", то індекси left і right пробіжать увесь масив і побіжать далі. Вийти з цієї ситуації можна було б шляхом ускладнення умов продовження перегляду, але це б погіршило ефективність програми.
Отже, головною задачею, яку має вирішити людина, яка повинна розв’язати задачу сортування - це визначення як позитивних, так і усіх негативних характеристик різних алгоритмів сортування, передбачення кінцевого результату. До того ж, треба враховувати головне - чи, можливо, цю задачу задовольнить один з класичних простих алгоритмів сортування.
Використана література
1. Львов М.С., Співаковський О.В. Основи алгоритмізації та програмування. - Херсон, 1997.
2. Д. Кнут. Искусство программирования ЭВМ: Т.3. Сортировка и поиск. М., МИР, 1978.
Додаток
Лістинг програми
.286
. model tiny
. code
org 100h
start:
jmp begin
n db?
a db 0,255 dup (?)
; si=i; di=j
conswap proc near
pusha
mov al,byte ptr a [si]
mov bl,byte ptr a [di]
cmp al,bl
jae con_sk
mov byte ptr a [si],bl
mov byte ptr a [di],al
con_sk:
popa
retn
conswap endp
conflict proc near
push bp
mov bp,sp
pusha
mov ax, [bp+4] ; i
mov bx, [bp+6] ; k
; j=dx
mov dx,ax
shl dx,1; j=i*2
cmp dx,bx
ja conf_stop; j>k
cmp dx,bx
jb conf_1
; j=k
; conswap (i,j)
mov si,ax
mov di,dx
call conswap
jmp conf_stop
; j<k
conf_1:
push ax
mov si,dx
mov ah,byte ptr a [si+1]
mov al,byte ptr a [si]
cmp ah,al
jbe sk_2
inc dx
sk_2:
pop ax
; if (a [j+1] >a [j]) j++;
; conswap (i,j)
mov si,ax
mov di,dx
call conswap
; conflict (j,k);
push bx
push dx
call conflict
pop dx
pop bx
conf_stop:
popa
pop bp
retn
conflict endp
sorttree proc near
push bp
mov bp,sp
pusha
mov ax, [bp+4] ; i
mov bl,n
xor bh,bh; n
shr bx,1
cmp ax,bx; i<n
jae sort_exit
; sorttree (2*i)
mov bx,ax
shl bx,1
push bx
call sorttree
pop bx
; sorttree (2*i)
mov bx,ax
shl bx,1
inc bx
push bx
call sorttree
pop bx
; conflict (i,n)
mov bl,n
xor bh,bh
push bx
push ax
call conflict
pop ax
pop bx
sort_exit:
popa
pop bp
retn
sorttree endp
start_sort proc
mov ax,1
push ax
call sorttree
pop ax
mov cl,n
mov ch,0
inc cx
lo:
; conswap (k,1)
mov si,cx
mov di,1
call conswap
; conflict (1,k-1)
mov bx,cx
dec bx
push bx
push ax
call conflict
pop ax
pop bx
dec cx
cmp cx,1
jne lo
ret
start_sort endp
in_file db 'piramid. dat',0
out_file db 'piramid. out',0
errm db 'File error$'
begin:
; вiдкрити вхiдний файл
mov ah,3dh
mov al,0
mov dx,offset in_file
int 21h
jc err_file
mov si,ax; handle
; read
mov ah,3fh
mov bx,si
mov cx,255
mov dx,offset a+1
int 21h
mov n,al
; close
mov ah,3eh
mov bx,si
int 21h
call start_sort
; creat
mov ah,3ch
xor cx,cx
mov dx,offset out_file
int 21h
mov si,ax
; write
mov ah,40h
mov bx,si
mov cl,n
mov ch,0
mov dx,offset a+1
int 21h
; close
mov ah,3eh
mov bx,si
int 21h
. exit 0
err_file:
mov ah,9
mov dx,offset errm
int 21h
. exit 0
end start