Lifap6 — Liste chaînées

Ce TP a pour but de vous rafraîchir la mémoire sur la programmation en C++ et la conception de structures de données. Il prépare une séquence de TP à venir sur les Skip-Lists qui sont une évolution des liste chaînées.

Index

1. Listes chaînées
2. Rappels de C++
   1. Commentaires
   2. Types primitifs
   3. Case mémoire
   4. Tableau
   5. Structures de contrôle
   6. Références
   7. Passage par valeur
   8. Adresses
   9. Allocation dynamique
   10. Classes et structures

Rappels

Cette section comporte quelques rappels de base de programmation en C++.

Commentaires

Les commentaires sont des portions de fichier qui ne sont pas interprétées par le compilateur. Ils vous permettent de documenter votre code, et de rajouter des explications pour le rendre plus lisible. Prenez l'habitude d'écrire des commentaires dans votre code. Une bonne façon de développer consiste par exemple à commencer par remplir une fonction avec des commentaire indiquant ce qu'il faut ajouter, puis à rédiger le code sous les commentaires correspondants.

En C++ les commentaires sont délimités par /* et */. Ils peuvent faire plusieurs lignes, mais il n'est pas possible de les imbriquer (et donc de placer des /* ... */ dans un commentaire) :

/* commentaire sur une ligne */
/* commentaire
   sur deux lignes */

Il est aussi possible en plus de rajouter de courts commentaire en utilisant //. Une fois écrit //, le reste de la ligne n'est plus interprété.

int a ; //un commentaire de fin de ligne

Dans la suite de ces rappels, vous saurez donc identifier les commentaires.

Types primitifs

Le C++ propose un certain nombre de types primitifs. Durant ce cours, les types que vous serez le plus couramment ammenés à employer sont :

• int des entiers positifs ou négatifs
• float des nombres réels (rationnels en réalité) positifs ou négatifs
• char des carractères

Notez que tous ces types sont stockés sur un certain nombre d'octets que vous pouvez consulter via l'instruction sizeof(type). Du fait que le nombre d'octets est limité, il n'est pas possible de représenter tous les entiers ou tous les réels avec ces types. Par exemple 3 milliards est trop grand pour être stocké dans un type int. De même les réels ne peuvent pas être d'une précision infinie, et seuls certains nombres rationnels peuvent être stockés exactement. Le nombre \pi par exemple n'est pas rationnel et ne pourra pas être stocké exactement.

D'autres types primitifs existent, vous les trouverez rapidement en consultant la documentation du C++.

Cases mémoire

Comme mentionné ci dessus, chaque type primitif est stocké sur un certain nombre d'octets en mémoire. Lorsque vous écrirez :

int variable = 12 ;

vous pouvez imaginer qu'une zone en mémoire sera réservée de la bonne taille (souvent 4 octets pour un int), et que vous pouvez ensuite considérer que dans toute la suite de votre programme le mot clé variable sera remplacé par le contenu de ces 4 octets, interprétés comme un entier.

Tableau

Un tableau est un groupe de plusieurs cases mémoire consécutives contenant le même type de donnée. Il peut être alloué statiquement via :

int tableau[4] ;

Nous avons ici un groupe de 4 entiers stockés les uns à côté des autres en mémoires, auxquels il est possible de faire référence via le nom "tableau". Notez que le 4 dans l'exemple précédent ne peut généralement pas être remplacé par un nom de variable, car le compilateur doit être en mesure de déterminer la taille du tableau lors de la compilation. Pour créer des tableau de taille inconnue à la compilation, il faudra passer par une allocation dynamique

Il est possible d'accéder à un tableau en utilisant les crochets [ et ].

int tableau[4] ;
tableau[0] = 1 ;
tableau[3] = 2 ;
tableau[2 = tableau[0] ;

Structures de contrôle

Les instructions principales permettant de faire varier le fil d'éxécution d'un programme en fonction de tests sont les suivantes :

if(test) {
  /* code execute en cas de test vrai */
} else {
  /* code execute en cas de test faux */
}

for(unsigned int i = 0; i < 5; ++i) {
  /* code repete 5 fois */
}

while(test) {
  /* code repete tant que le test est vrai */
}

do {
  /* code repete jusqu'a ce que le test soit faux */
} while(test) ;

Références

Le comportement par défaut en C++ est la copie. Par exemple dans le code :

int a = 5 ;
int b = a ;
b = 12 ;

la valeur de la variable b est initialement fixée à la même valeur que celle de a (c'est une copie), mais les deux variables ne sont pas liées pour autant. Ainsi lorsqu'ensuite la valeur de b est changée pour 12 la valeur de a reste inchangée à 5.

Pour lier deux variables afin de faire en sortent qu'elles correspondent aux mêmes octets en mémoire, il est possible d'utiliser des références. Une référence est réalisée en utilisant le symbole & ajouté au type d'une variable. Dans le code précédent, pour faire en sorte que la variable b soit une référence sur la variable a et partage les mêmes octets, il aurait ainsi fallu écrire :

int a = 5 ;
int & b = a ;
b = 12 ;

la valeur de la variable a est ici changée pour 12 lorsque b est affecté. Si cette image vous aide, vous pouvez considérer qu'une référence consiste à donner un pseudonyme à une variable. Dans la suite du programme, le nom initial ou le pseudonyme peuvent tous les deux être utilisés pour les mêmes octets.

Passage par valeur

On parle de passage de paramètres lorsqu'on appelle une fonction en lui fournissant des paramètres. Selon les langages de programmation, il existe de types de passage de paramètre :

Le passage par valeur recopie la valeur fournie en paramètre à la fonction ou à la procédure. Ainsi, une fonction modifiant la valeur de ses paramètre ne modifiera pas la valeur des variables utilisées pour fournir ces paramètres dans la fonction appelante. C'est cette stratégie qui est appliquée en C++.

void f(int a) {
  a = a+1 ;
}

int b = 0 ;
f(b) ;
/* b vaut toujours 0 */

Le nom passage par valeur vient du fait qu'on considère que c'est la valeur de la variable qui est fournie à la fonction lors de l'appel.

Le passage par nom ne recopie pas la valeur fournie en paramètre, mais considère que la fonction appelée peut modifier la variable fournie en paramètre. Cette modification impactera la valeur de cette variable dans le programme appelant. Par exemple en JavaScript :

function f(a) {
  a = a + 1 ;
}

var b = 0 ;
f(b) ;
// b vaut maintenant 1

Le nom passage par nom vient du fait qu'on considère que c'est le nom de la variable qui est fourni en paramètre, et qu'à partir du nom de la variable la donnée référencée est accessible.

Pour plus de détails, vous pouvez utiliser les mots clé call by name et call by value dans vos recherches.

Pour vous la conclusion à retenir est la suivante : en C++ le passage de paramètre est réalisé par valeur.

Vous pouvez cependant avoir de temps besoin d'avoir le même comportement que le passage par nom, si vous souhaitez qu'une fonction modifie des données en dehors de sa portée, ou si vous voulez éviter la copie de données volumineuses passées en paramètre. Vous pouvez pour cela utiliser les références en paramètre de fonctions:

void f(int & ref) {
  ref = ref + 1 ;
}

int a = 1 ;
f(a) ; /* a vaut maintenant 2 */

Adresses

Une autre notion, souvent comparée aux références est la notion d'adresse, souvent mentionnée sous le nom de pointeur. Votre mémoire manipule la mémoire, y lit des valeurs, y inscrit d'autres valeurs. En C++ chaque octet de cette mémoire possède une adresse. L'adresse d'un objet en C++ est l'adresse du premier octet servant à stocker cet objet. Vous pouvez manipuler des adresses en utilisant le symbole *. Per exemple, l'instruction

int * a ;

crée une variable qui stockera l'adresse d'un entier. Étant donné un objet en C++, il est possible d'obtenir son adresse via le symbole &. Par exemple :

int a = 10 ;
int * pa = &a ;

Attention ici a et pa ne sont pas deux noms pour la même chose : la variable a est le nom d'une case mémoire contenant un entier de valeur 10. La variable pa est le nom d'une case mémoire contenant l'adresse d'une autre case mémoire contenant un entier.

int a = 10 ;
int * pa = &a ;
// pa = 10 ; //erreur : pb n'est pas un entier

L'opération consistant à utiliser une adresse pour accéder à la case mémoire correspondante s'appelle le déréférencement. Cette opération est réalisée en utilisant également le symbole *.

int a = 10 ;
int * pa = &a ;
int b = *pa ; //b prend la valeur 10
*pa = 15 ; //a vaut 15 b, vaut 10
int & ra = *pa ; //ra est une reference sur la meme case que a
*pa = 20 ; //a et ra valent desormais 20
int * pra = &ra ; //ra est la meme case que a, pa et pra ont la meme valeur

Les références et les adresses sont souvent opposées l'une à l'autre, car ce sont deux moyens de faire en sorte de manipuler les mêmes octets via plusieurs variables. Ces deux notions sont en réalité complémentaires, et chaque notion peut être utilisée pour faire quelques chose qu'il est difficile de réaliser élégament via l'autre notion. Il est donc essentiel que vous sachiez maîtriser les deux.

Allocation dynamique

En C++, la mémoire vous est souvent présentée comme découpée en plusieurs zones. Vous utiliserez généralement la pile et le tas.

La pile

C'est la zone mémoire dans laquelle sont allouées les données locales aux fonctions : en C++, toute variable n'est valable qu'à l'intérieur de sa portée, matérialisée par les accolades ({, }). Les paramètres d'une fonction sont également limités à la portée de cette fonction :

int f(int a) {
  int b = 10 ;
  int c = 0 ;

  for(int i = 0; i < b, ++i) {
    c = c * a ;
  } /* i n'est plus definie */

  if(c < 0) {
    int d = -c ;
    c = c * d ;
  } /* d n'est plus definie */

  {
    int d = 2 * c ;
    c = c / d ;
  } /* d n'est plus definie */

  return c ;
} /* a, b et c ne sont plus definies */

Toute donnée que vous créez sans utiliser les fonctions new ou malloc est stockée sur la pile, et aura donc une durée de vie limitée.

Le tas

C'est une zone mémoire pour créer des données persistantes. À moins que vous ne donniez explicitement l'instruction de détruire les données présentes, elles persisteront tant que le programme fonctionnera. L'outil valgrind vous permettra de détecter de nombreuses erreurs liées à la gestion de la mémoire, et nous vous encourageons à l'utiliser systématiquement.

En C la gestion du tas en se fait avec le couple de fonctions malloc et free. La fonction malloc prend en paramètre le nombre d'octets à réserver. Le langage C fournit la directive sizeof qui permet de connaître le nombre d'octets nécessaire pour un type atomique ou une structure. La valeur de retour de malloc est une adresse générique (de type void *), qui indexe le premier octet alloué dans le tas. Il convient ensuite de convertir cette adresse générique en une adresse typée correctement via un cast. Il est indispensable de récupérer la valeur de retour de malloc, sans quoi l'adresse de la zone allouée est perdue, et vous ne pourrez plus accéder à la zone, ou la libérer pour faire de la place en mémoire. Une allocation typique d'un objet sur le tas a donc la forme :

int * a = (int *) malloc(sizeof(int)) ;

Notez le type int qui est ici mentionné trois fois : la première pour définir le type de la variable déclarée (l'adresse d'un entier), la seconde pour caster l'adresse générique renvoyée par malloc en l'adresse d'un entier, et la troisième pour déterminer le nombre d'octets à réserver pour un entier via la directive sizeof.

En C et en C++, la norme du langage assure qu'un tableau de données est une zone mémoire contiguë (où les données sont rangées les unes à côté des autres, il n'y a pas d'espace vide entre les données). Il est donc possible de réserver un tableau dans le tas en allouant simplement le nombre d'octets nécessaire pour l'ensemble des données du tableau :

/* allocation d'un tableau de 10 entiers */
int * tab = (int *) malloc(10*sizeof(int)) ;

Les données sont ensuite accessibles comme d'habitude en utilisant les crochets ([, ]) :

for(int i = 0; i < 10; ++i) {
  tab[i] = 2*i ;
}

De la même façon qu'une parenthèse ouverte à un moment donné doit être refermée plus tard, une donnée allouée avec malloc doit être libérée plus tard avec free. Dans le cas contraire, on parle de fuite de mémoire. Prenez donc l'habitude lorsque vous écrivez malloc quelque part d'écrire free ailleurs (ou de noter en commentaire où vous comptez le faire). La fonction free prend en paramètre une adresse qui doit avoir été fournie par malloc. C'est parce que malloc a réalisé l'allocation que vous n'avez pas à préciser le nombre d'octets à libérer. Quelque part, en sous main, le nombre d'octets correspondants à l'adresse a été enregistré. Vous pouvez ainsi libérer la mémoire allouée par les deux instructions précédentes via :

free(a) ;
free(tab) ;

Si vous utilisez valgrind, les octets qui ont été alloués durant l'exécution du programme et n'ont pas été libérés à la sortie du programme vous seront signalés.

En C++ vous pouvez utiliser malloc et free mais ces fonctions sont généralement déconseillées car elles ne sont pas compatibles avec le mécanisme des constructeurs et destructeurs des objets. Il vous est conseillé d'utiliser les directives new et delete, qui initialisent et détruisent correctement les objets, et perturbent moins le système de types. De même que malloc, new produit une adresse qu'il faut récupérer. À la différence de malloc cette adresse est correctement typée par rapport au type de l'objet alloué.

int * a = new int ;
int * tab = new int[10] ;

Notez ici que vous n'avez pas à mentionner le nombre d'octets, le type fourni à new suffit. Comme précédemment, chaque utilisation de new doit être un jour compensée par l'utilisation de delete. La suppression des variables précédentes se fait via :

delete a ;
delete[] tab ;

Notez bien l'utilisation de delete[] pour faire écho à new <type>[].

Classes et structures

Les classes et structures sont à la base de l'élaboration de structures de données complexes. Une classe (à votre niveau) permet d'agglomérer plusieurs types existants pour former de nouveaux types de données. Vous pourrez ajouter à votre classes des méthodes pour manipuler votre nouveau type de données.

Les classes et structures se déclarent via

class nom_classe {
  /* ... */
} ;

struct nom_structure {
  /* ... */
} ;

Dans la définition d'une classe ou d'une structure, les mots clé public et private permettent de définir ce qui sera accessible ou non pour votre classe

class nom_classe {

  /* ... */ //ici tout est inaccessible

  public :

  /* ... */ //ici tout est accessible

  private :

  /* ... */ //ici tout est de nouveau inaccessible
} ;

struct nom_structure {

  /* ... */ //ici tout est accessible

  private :

  /* ... */ //ici tout est inaccessible

  public :

  /* ... */ //ici tout est de nouveau accessible
} ;

Notez que la différence entre les classes et les structures est que par défaut dans une classe tout est privé, alors que dans une structure tout est public.

Un exemple de déclaration de structure pourrait être :

class Fusee {

  public :

    /* Constructeur automatiquement appele a l'initialisation */

    Fusee() ;

    /* Destructeur automatiquement appele a la destruction */

    ~Fusee() ;

    /* fonctions membre publiques */

    void faire_le_plein(float carburant) ;

    float reserves_carburant() const ; //la methode ne modifie pas la classe

    void decoller() ;

  private :

    /* variables membre privees */

    float carbutant ;
    float position[3] ;

    /* fonctions membre privees */

    void disco_mode() ;
} ;

Le code des méthodes de cette structure devra ensuite être fourni via

Fusee::Fusee() {
  /* ... */
}

Fusee::~Fusee() {
  /* ... */
}

void Fusee::faire_le_plein(float carburant) {
  /* ... */
}

float Fusee::reserves_carburant() const {
  /* ... */
}

void decoller() {
  /* ... */
}

void disco_mode() {
  /* ... */
}

Les membres privés peuvent être utilisés dans la portée de ces fonctions car elles sont membres de la classe.

Le compilateur se chargera de déterminer le nombre d'octets occupés par la structure, et vous pourrez l'obtenir via sizeof(Fusee). Il est ensuite possible de déclarer un objet de type structure et d'accéder à ses champs via la syntaxe :

/* allocation sur la pile */
Fusee f ;
/* le . permet d'acceder aux champs et methodes de la structure */
f.faire_le_plein(12.7) ;

/* allocation sur le tas */
Fusee * pf = new Fusee ;
pf->decoller() ; /* a-> est un raccourci pour (*a). */
delete pf ;

Notez bien que dans le cas d'une classe munie d'un constructeur ou d'un destructeur, l'opérateur new prendra soin d'appeler le constructeur, et l'opérateur delete le destructeur. Ces fonctions n'auraient pas été appelées en utilisant malloc et free.

Une classe peut être définie récursivement, tant qu'elle ne contient que des adresses ou des références sur des structures similaires. Sinon, il serait bien impossible de déterminer le sizeof de la structure pour cause de récursion

class Personne {
  int num_secu ;
  Personne * parent1 ;
  Personne * parent2 ;
} ;