Реферат: VB, MS Access, VC++, Delphi, Builder C++ принципы(технология), алгоритмы программирования

@Рис. 12.22. Остаточная сеть

========345

@Рис. 12.23. Расширяющий путь через остаточную сеть

Вместо того, чтобы корректировать потоки, и затем перестраивать остаточную сеть, проще просто скорректировать остаточную сеть. Затем после завершения работы алгоритма можно использовать результат для вычисления потоков для связей в исходной сети.

Чтобы скорректировать остаточную сеть в этом примере, проследуем по расширяющему пути. Вычтем 2 из остаточной пропускной способности всех связей I‑J вдоль пути, и добавим 2 к остаточной пропускной способности соответствующей связи J‑I. На рис. 12.24 показана скорректированная остаточная сеть для этого примера.

Если больше нельзя найти ни одного расширяющего пути, то можно использовать остаточную сеть для вычисления потоков в исходной сети. Для каждой связи между узлами I и J, если остаточный поток между узлами I и J меньше, чем пропускная способность связи, то поток должен равняться пропускной способности минус остаточный поток. В противном случае поток должен быть равен нулю.

Например, на рис. 12.24 остаточный поток из узла A в узел C равен 1 и пропускная способность связи A‑C равна 3. Так как 1 меньше 3, то поток через узел будет равен 3 - 1 = 2. На рис. 12.25 показаны потоки в сети, соответствующие остаточной сети на рис. 12.24.

@Рис. 12.24. Скорректированная остаточная сеть

========346

@Рис. 12.25. Максимальные потоки

Полученный алгоритм еще не содержит метода для поиска расширяющих путей в остаточной сети. Один из возможных методов аналогичен методу коррекции меток для алгоритма кратчайшего маршрута. Вначале поместим узел‑источник в список возможных узлов. Затем, если список возможных узлов не пуст, будем удалять из него по одному узлу. Проверим все соседние узлы, соединенные с выбранным узлом по связи, остаточная пропускная способность которой больше нуля. Если соседний узел еще не был помещен в список возможных узлов, добавить его в список. Продолжить этот процесс до тех пор, пока список возможных узлов не опустеет.

Этот метод имеет два отличия от метода поиска кратчайшего маршрута коррекцией меток. Во‑первых, этот метод не прослеживает связи с нулевой остаточной пропускной способностью. Алгоритм же кратчайшего маршрута проверяет все пути, независимо от их цены.

Во‑вторых, этот алгоритм проверяет все узлы не больше одного раза. Алгоритм поиска кратчайшего маршрута коррекцией меток, будет обновлять узлы и помещать их снова в список возможных узлов, если он позднее найдет более короткий путь от корня к этому узлу. При поиске расширяющего пути нет необходимости проверять его длину, поэтому не нужно обновлять пути и помещать узлы назад в список возможных узлов.

Следующий код демонстрирует, как можно вычислять максимальные потоки в программе на Visual Basic. Этот код предназначен для работы с неориентированными сетями, похожими на те, которые использовались в других программах примеров, описанных в этой главе. После завершения работы алгоритма он присваивает связи цену, равную потоку через нее, взятому со знаком минус, если поток течет в обратном направлении. Другими словами, если сеть содержит объект, представляющий связь I‑J, а алгоритм определяет, что поток должен течь в направлении связи J‑I, то потоку через связь I‑J присваивается значение, равное потоку, который должен был бы течь через связь J‑I, взятому со знаком минус. Это позволяет программе определять направление потока, используя существующую структуру узлов.

=======347

Private Sub FindMaxFlows()

Dim candidates As Collection

Dim Residual() As Integer

Dim num_nodes As Integer

Dim id1 As Integer

Dim id2 As Integer

Dim node As FlowNode

Dim to_node As FlowNode

Dim from_node As FlowNode

Dim link As FlowLink

Dim min_residual As Integer

    If SourceNode Is Nothing Or SinkNode Is Nothing _

        Then Exit Sub

    ' Задать размер массива остаточной пропускной способности.

    num_nodes = Nodes.Count

    ReDim Residual(1 To num_nodes, 1 To num_nodes)

    ' Первоначально значения остаточной пропускной способности

    ' равны значениям пропускной способности.

    For Each node In Nodes

        id1 = node.Id

        For Each link In node.Links

           If link.Node1 Is node Then

               Set to_node = link.Node2

           Else

               Set to_node = link.Node1

           End If

           id2 = to_node.Id

           Residual(id1, id2) = link.Capacity

        Next link

    Next node

    ' Повторять до тех пор, пока больше

    ' не найдется расширяющих путей.

    Do

        ' Найти расширяющий путь в остаточной сети.

        ' Сбросить значения NodeStatus и InLink всех узлов.

        For Each node In Nodes

           node.NodeStatus = NOT_IN_LIST

           Set node.InLink = Nothing

        Next node

        ' Начать с пустого списка возможных узлов.

        Set candidates = New Collection

        ' Поместить источник в список возможных узлов.

        candidates.Add SourceNode

        SourceNode.NodeStatus = NOW_IN_LIST

        ' Продолжать, пока список возможных узлов не опустеет.

        Do While candidates.Count > 0

           Set node = candidates(1)

           candidates.Remove 1

           node.NodeStatus = WAS_IN_LIST

           id1 = node.Id

           ' Проверить выходящие из узла связи.

           For Each link In node.Links

               If link.Node1 Is node Then

                   Set to_node = link.Node2

               Else

                   Set to_node = link.Node1

               End If

               id2 = to_node.Id

               ' Проверить, что residual > 0, и этот узел

               ' никогда не был в списке.

               If Residual(id1, id2) > 0 And _

                   to_node.NodeStatus = NOT_IN_LIST _

               Then

                   ' Добавить узел в список.

                   candidates.Add to_node

                   to_node.NodeStatus = NOW_IN_LIST

                   Set to_node.InLink = link

               End If

           Next link

           ' Остановиться, если помечен узел‑сток.

           If Not (SinkNode.InLink Is Nothing) Then _

               Exit Do

        Loop

        ' Остановиться, если расширяющий путь не найден.

        If SinkNode.InLink Is Nothing Then Exit Do

        ' Найти наименьшую остаточную пропускную способность

        ' вдоль расширяющего пути.

        min_residual = INFINITY

        Set node = SinkNode

        Do

           If node Is SourceNode Then Exit Do

           id2 = node.Id

           Set link = node.InLink

           If link.Node1 Is node Then

               Set from_node = link.Node2

           Else

               Set from_node = link.Node1

           End If

           id1 = from_node.Id

           If min_residual > Residual(id1, id2) Then _

               min_residual = Residual(id1, id2)

           Set node = from_node

        Loop

        ' Обновить остаточные пропускные способности,

        ' используя расширяющий путь.

        Set node = SinkNode

        Do

           If node Is SourceNode Then Exit Do

           id2 = node.Id

           Set link = node.InLink

           If link.Node1 Is node Then

               Set from_node = link.Node2

           Else

               Set from_node = link.Node1

           End If

           id1 = from_node.Id

           Residual(id1, id2) = Residual(id1, id2) _

               - min_residual

           Residual(id2, id1) = Residual(id2, id1) _

               + min_residual

           Set node = from_node

        Loop

    Loop ' Повторять, пока больше не останется расширяющих путей.

    ' Вычислить потоки в остаточной сети.

    For Each link In Links

        id1 = link.Node1.Id

        id2 = link.Node2.Id

        If link.Capacity > Residual(id1, id2) Then

           link.Flow = link.Capacity - Residual(id1, id2)

        Else

           ' Отрицательные значения соответствуют

           ' обратному направлению движения.

           link.Flow = Residual(id2, id1) - link.Capacity

        End If

    Next link

    ' Найти полный поток.

    TotalFlow = 0

    For Each link In SourceNode.Links

        TotalFlow = TotalFlow + Abs(link.Flow)

    Next link

End Sub

=======348-350

Программа Flow использует метод поиска расширяющего пути для нахождения максимального потока в сети. Она похожа на остальные программы в этой главе. Если вы не добавляете или не удаляете узел или связь, вы можете выбрать источник при помощи левой кнопки мыши, а затем выбрать сток при помощи правой кнопки мыши. После выбора источника и стока программа вычисляет и выводит на экран максимальный поток. На рис. 12.26 показано окно программы, на котором изображены потоки в небольшой сети.

Приложения максимального потока

Вычисления максимального потока используются во многих приложениях. Хотя для многих сетей может быть важно знать максимальный поток, этот метод часто используется для получения результатов, которые на первый взгляд имеют отдаленное отношение к пропускной способности сети.

Непересекающиеся пути

Большие сети связи должны обладать избыточностью (redundancy). Для заданной сети, например такой, как на рис. 12.27, может потребоваться найти число непересекающихся путей из источника к стоку. При этом, если между двумя узлами сети есть множество непересекающихся путей, все связи в которых различны, то соединение между этими узлами останется, даже если несколько связей в сети будут разорваны.

Можно определить число различных путей, используя метод вычисления максимального потока. Создадим сеть с узлами и связями, соответствующими узлам и связям в коммуникационной сети. Присвоим каждой связи единичную пропускную способность.

@Рис. 12.26. Программа Flow

=====351

@Рис. 12.27. Сеть коммуникаций

Затем вычислим максимальный поток в сети. Максимальный поток будет равен числу различных путей от источника к стоку. Так как каждая связь может нести единичный поток, то ни один из путей, использованных при вычислении максимального потока, не может иметь общей связи.

При более строгом определении избыточности можно потребовать, чтобы различные пути не имели ни общих связей, ни общих узлов. Немного изменив предыдущую сеть, можно использовать вычисление максимального потока для решения и этой задачи.

Разделим каждый узел за исключением источника и стока на два узла, соединенных связью единичной пропускной способности. Соединим первый из полученных узлов со всеми связями, входящими в исходный узел. Все связи, выходящие из исходного узла, присоединим ко второму полученному после разбиения узлу. На рис. 12.28 показана сеть с рис. 12.27, узлы на которой разбиты таким образом. Теперь найдем максимальный поток для этой сети.

Если путь, использованный для вычисления максимального потока, проходит через узел, то он может использовать связь, которая соединяет два получившихся после разбиения узла. Так как эта связь имеет единичную пропускную способность, никакие два пути, полученные при вычислении максимального потока, не могут пройти по этой связи между узлами, поэтому в исходной сети никакие два пути не могут использовать один и тот же узел.

@Рис. 12.28. Коммуникационная сеть после преобразования

======352

@Рис. 12.29. Сеть распределения работы

Распределение работы

Предположим, что имеется группа сотрудников, каждый из которых обладает определенными навыками. Предположим также, что существует ряд заданий, которые требуют привлечения сотрудника, обладающего заданным набором навыков. Задача распределения работы (work assignment) состоит в том, чтобы распределить работу между сотрудниками так, чтобы каждое задание выполнял сотрудник, имеющий соответствующие навыки.

Чтобы свести эту задачу к вычислению максимального потока, создадим сеть с двумя столбцами узлов. Каждый узел в левом столбце представляет одного сотрудника. Каждый узел в правом столбце представляет одно задание.

Затем сравним навыки каждого сотрудника с навыками, необходимыми для выполнения каждого из заданий. Создадим связь между каждым сотрудником и каждым заданием, которое он способен выполнить, и присвоим всем связям единичную пропускную способность.

Создадим узел‑источник и соединим его с каждым из сотрудников связью единичной пропускной способности. Затем создадим узел‑сток и соединим с ним каждое задание, снова при помощи связей с единичной пропускной способностью. На рис. 12.29 показана соответствующая сеть для задачи распределения работы с четырьмя сотрудниками и четырьмя заданиями.

Теперь найдем максимальный поток из источника в сток. Каждая единица потока должна пройти через один узел сотрудника и один узел задания. Этот поток представляет распределение работы для этого сотрудника.

@Рис. 12.30. Программа Work

=======353

Если сотрудники обладают соответствующими навыками для выполнения всех заданий, то вычисления максимального потока распределят их все. Если невозможно выполнить все задания, то в процессе вычисления максимального потока работа будет распределена так, чтобы было выполнено максимально возможное число заданий.

Программа Work использует этот алгоритм для распределения работы между сотрудниками. Введите фамилии сотрудников и их навыки в текстовом поле слева, а задания, которые требуется выполнить и требующиеся для них навыки в текстовом поле посередине. После того, как вы нажмете на кнопку Go (Начать), программа распределит работу между сотрудниками, используя для этого сеть максимального потока. На рис. 12.30 показано окно программы с полученным распределением работы.

Резюме

Некоторые сетевые алгоритмы можно применить непосредственно к сетеподобным объектам. Например, можно использовать алгоритм поиска кратчайшего маршрута для нахождения наилучшего пути в уличной сети. Для определения наименьшей стоимости построения сети связи или соединения городов железными дорогами можно использовать минимальное остовное дерево.

Многие другие сетевые алгоритм находят менее очевидные применения. Например, можно использовать алгоритмы поиска кратчайшего маршрута для разбиения на районы, составления плана работ методом кратчайшего пути, или графика коллективной работы. Алгоритмы вычисления максимального потока можно использовать для распределения работы. Эти менее очевидные применения сетевых алгоритмов обычно оказываются более интересными и перспективными.

======354

Использование функций и подпрограмм позволяет программисту разбить код большой программы на части. Массивы и определенные пользователем типы данных позволяют сгруппировать элементы данных так, чтобы упросить работу с ними.

Классы, которые впервые появились в 4-й версии Visual Basic, позволяют программисту по‑новому сгруппировать данные и логику работы программы. Класс позволяет объединить в одном объекте данные и методы работы с ними. Этот новый подход к управлению сложностью программ позволяет взглянуть на алгоритмы с другой точки зрения.

В этой главе рассматриваются вопросы объектно‑ориентированного программирования, возникающие при применении классов Visual Basic. В ней описаны преимущества объектно‑ориентированного программирования (ООП) и показано, какую выгоду можно получить от их применения в программах на языке Visual Basic. Затем в главе рассматривается набор полезных объектно‑ориентированных примеров, которые вы можете использовать для управления сложностью ваших приложений.

Преимущества ООП

К традиционным преимуществам объектно‑ориентированного программирования относятся инкапсуляция или скрытие (encapsulation), полиморфизм (polymorphism) и повторное использование (reuse). Реализация их в классах Visual Basic несколько отличается от того, как они реализованы в других объектно‑ориентированных языках. В следующих разделах рассматриваются эти преимущества ООП и то, как можно ими воспользоваться в программах на Visual Basic.

Инкапсуляция

Объект, определенный при помощи класса, заключает в себе данные, которые он содержит. Другие части программы могут использовать объект для оперирования его данными, не зная о том, как хранятся или изменяются значения данных. Объект предоставляет открытые (public) процедуры, функции, и процедуры изменения свойств, которые позволяют программе косвенно манипулировать или просматривать данные. Так как при этом данные являются абстрактными с точки зрения программы, это также называется абстракцией данных (data abstraction).

Инкапсуляция позволяет программе использовать объекты как «черные ящики». Программа может использовать открытые методы объекта для проверки и изменения значений без необходимости разбираться в том, что происходит внутри черного ящика.

=========355

Поскольку действия внутри объектов скрыты от основной программы, реализация объекта может меняться без изменения основной программы. Изменения в свойствах объекта происходят только в модуле класса.

Например, предположим, что имеется класс FileDownload, который скачивает файлы из Internet. Программа сообщает классу FileDownload положение объекта, а объект возвращает строку с содержимым файла. В этом случае программе не требуется знать, каким образом объект производит загрузку файла. Он может скачивать файл, используя модемное соединение или соединение по выделенной линии, или даже извлекать файл из кэша на локальном диске. Программа знает только, что объект возвращает строку после того, как ему передается ссылка на файл.

Обеспечение инкапсуляции

Для обеспечения инкапсуляции класс должен предотвращать непосредственный доступ к своим данным. Если переменная в классе объявлена как открытая, то другие части программы смогут напрямую изменять и считывать данные из нее. Если позднее представление данных изменится, то любые части программы, которые непосредственно взаимодействуют с данными, также должны будут измениться. При этом теряется преимущество инкапсуляции.

Чтобы обеспечить доступ к данным, класс должен использовать процедуры для работы со свойствами. Например, следующие процедуры позволяют другим частям программы просматривать и изменять значение DegreesF объекта Temperature.

Private m_DegreesF As Single      ' Градусы Фаренгейта.

Public Property Get DegreesF() As Single

    DegreesF = m_DegreesF

End Property

Public Property Let DegreesF(new_DegreesF As Single)

    m_DegreesF = new_DegreesF

End Property

Различия между этими процедурами и определением m_DegreesF как открытой переменной пока невелики. Тем не менее, использование этих процедур позволяет легко изменять класс в дальнейшем. Например, предположим, что вы решите измерять температуру в градусах Кельвина, а не Фаренгейта. При этом можно изменить класс, не затрагивая остальных частей программы, в которых используются процедуры свойства DegreesF. Можно также добавить код для проверки ошибок, чтобы убедиться, что программа не попытается передать объекту недопустимые значения.

Private m_DegreesK As Single      ' Градусы Кельвина.

Public Property Get DegreesF() As Single

    DegreesF = (m_DegreesK - 273.15) * 1.8

End Property

Public Property Let DegreesF(ByVal new_DegreesF As Single)

Dim new_value As Single

    new_value = (new_DegreesF / 1.8) + 273.15

    If new_value < 0 Then

        ' Сообщить об ошибке ‑ недопустимое значении.

        Error.Raise 380, "Temperature", _

        "Температура должна быть неотрицательной."

    Else

        m_DegreesK = new_value

    End If

End Property

======357

Программы, описанные в этом материале, безобразно нарушают принцип инкапсуляции, используя в классах открытые переменные. Это не слишком хороший стиль программирования, но так сделано по трем причинами.

Во‑первых, непосредственное изменение значений данных выполняется быстрее, чем вызов процедур свойств. Большинство программ уже и так несколько теряют в производительности из‑за использования ссылок на объекты вместо применения более сложного метода псевдоуказателей. Применения процедур свойств еще сильнее замедлит их работу.

Во‑вторых, многие программы демонстрируют методы работы со структурами данных. Например, сетевые алгоритмы, описанные в 12 главе, непосредственно используют данные объекта. Указатели, которые связывают узлы в сети друг с другом, составляют неотъемлемую часть алгоритмов. Было бы бессмысленно менять способ хранения этих указателей.

И, наконец, благодаря использованию открытых значений данных, код становится проще. Это позволяет вам сконцентрироваться на алгоритмах, и этому не мешают лишние процедуры работы со свойствами.

Полиморфизм

Второе преимущество объектно‑ориентированного программирования — это полиморфизм (polymorphism), что означает «имеющий множество форм». В Visual Basic это означает, что один объект может иметь различный формы в зависимости от ситуации. Например, следующий код представляет собой подпрограмму, которая может принимать в качестве параметра любой объект. Объект obj может быть формой, элементом управления, или объектом определенного вами класса.

Private Sub ShowName(obj As Object)

    MsgBox TypeName(obj)

End Sub

Полиморфизм позволяет создавать процедуры, которые могут работать буквально со всеми типами объектов. Но за эту гибкость приходится платить. Если определить обобщенный (generic) объект, как в этом примере, то Visual Basic не сможет определить, какие типы действий сможет выполнять объект, до запуска программы.

========357

Если Visual Basic заранее знает, с объектом какого типа он будет иметь дело, он может выполнить предварительные действия для того, чтобы более эффективно использовать объект. Если используется обобщенный (generic) объект, то программа не может выполнить подготовки, и в результате этого потеряет в производительности.

Программа Generic демонстрирует разницу в производительности между объявлением объектов как принадлежащих к определенному типу или как обобщенных объектов. Тест выполняется одинаково, за исключением того, что в одном из случаев объект определяется, как имеющий тип Object, а не тип SpecificClass. При этом установка значения данных объекта с использованием обобщенного объекта выполняется в 200 раз медленнее.

Private Sub TestSpecific()

Const REPS = 1000000   ' Выполнить миллион повторений.

Dim obj As SpecificClass

Dim i As Long

Dim start_time As Single

Dim stop_time As Single

    Set obj = New SpecificClass

    start_time = Timer

    For i = 1 To REPS

        obj.Value = I

    Next i

    stop_time = Timer

    SpecificLabel.Caption = _

        Format$(1000 * (stop_time - start_time) / REPS, "0.0000")

End Sub

Зарезервированное слово Implements

В 5‑й версии Visual Basic зарезервированное слово Implements (Реализует) позволяет программе использовать полиморфизм без использования обобщенных объектов. Например, программа может определить интерфейс Vehicle (Средство передвижения), Если классы Car (Автомобиль) и Truck (Грузовик) оба реализуют интерфейс Vehicle, то программа может использовать для выполнения функций интерфейса Vehicle объекты любого из двух классов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33