Atrapando y manejando excepciones.

   Esta entrada se basa en la descripción del siguiente ejemplo:

      // Note: This class will not compile yet.
      import java.io.*;
      import java.util.List;
      import java.util.ArrayList;

      public class ListOfNumbers {
          private List<Integer> list;
          private static final int SIZE = 10;

          public ListOfNumbers ( ) {
              list = new ArrayList<Integer>(SIZE);
              for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
                   list.add(Integer.valueOf(i));
              }
          }

          public void writeList( ) {
// The FileWriter constructor throws IOException, which must be caught.
              PrintWriter out = new PrintWriter(new FileWriter("OutFile.txt"));

              for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
               // The get(int) method throws IndexOutOfBoundsException, which must be caught.
                  out.println("Value at: " + i + " = " + list.get(i));
              }
              out.close();
          }
      }

   El ejemplo ha sido tomado y adaptado para cumplir con las nuevas especificaciones del API de The Java Tutorials (Catching and Handling Exceptions). Puede descargar la versión ListOfNumbers1, misma que no compila debido a que no realiza el adecuado manejo de las excepciones que podrían generarse, y la versión corregida ListOfNumbers, la cual contiene ya los elementos necesarios para el adecuado manejo de dichas excepciones.

    Recomiendo al lector remitirse en este momento al Ejercicio 3 de la entrada de Ejercicios selectos para comparar este ejemplo con una versión alternativa que compacta las cláusulas catch en una sola.

Consideraciones adicionales.

   Una de las aplicaciones más útiles de las colas, las colas de prioridad y de las listas vinculadas es la simulación.

   Un programa de simulación modela una situación del mundo real para aprender u obtener algo de ella. En una simulación, cada objeto y acción del mundo tiene su representación en el programa.

   Si la simulación es precisa, el resultado del programa reflejará el resultado de las acciones que se simulan, por lo que será posible comprender lo que ocurre en una situación del mundo real sin la necesidad de observar su ocurrencia en el mundo real.

   Algunos de los contextos en los que es posible aplicar técnicas de simulación utilizando las estructuras de datos anteriormente mencionadas son:

• Bancos.
• Líneas aéreas.
• Casetas de cobro de autopistas.
• Terminal de autobuses.
• Líneas de espera en general.
• Un largo etcétera.

   Las listas enlazadas completan el espectro de las estructuras de datos lineales que se estudiarán en este blog, mismo que dio inició con las pilas. Debe notar que en éste sentido se ha ido avanzando de lo particular hacia lo general, ya que como pudo apreciarse, las listas enlazadas son las estructuras de datos que menos restricciones tienen en su definición y operaciones.

   Tanto los usos como las aplicaciones de las pilas, las colas de espera y las listas enlazadas son prácticamente infinitas, ya que están limitadas únicamente por la imaginación o la capacidad del programador.

 

Iteradores.

    Un iterador es un objeto que permite al programador recorrer un contenedor de una manera determinada. Puede verse también como la entidad que le permite a un programa "caminar" o recorrer una estructura de datos desde el exterior.

 

Diagrama de clases de la estructura del patrón de diseño de un iterador [Wikipedia].

 

    En el contexto en que se ha venido manejado en el blog, un iterador regresará el valor almacenado (dato) en los nodos internos de la estructura de datos.

    Iteradores en Java.

    El API de Java proporciona distintas colecciones que pueden ser recorridas con iteradores. Cualquier clase que implemente la interfaz Iterator debe ser capaz de regresar un iterador que permita recorrer los elementos que almacena.

    A modo de ejemplo se hará una modificación al Ejemplo Lista estudiado en la entrada correspondiente a la implementación. Por simplicidad y para tener un ejemplo completamente funcional, se proporcionará como una carpeta comprimida que contiene todos los archivos necesarios para su ejecución. Sólo se resaltarán los cambios en dos clases, y se deja como ejercicio al lector hacer la comparación correspondiente con el ejemplo original:

1. Lista:
1. Linea 10: implementación de la interfaz Iterator.
2. Línea 13: objeto que se regresará como iterador (referencia externa).
3. Línea 22: inicialización del iterador en el constructor.
4. Líneas 104-109: implementación del método next de la interfaz Iterator. Este método se encarga de obtener el siguiente dato de la lista, regresarlo y avanzar hacia el siguiente nodo.
5. Líneas 111-113: implementación del método hasNext de la interfaz Iterator. Este método se encarga de determinar si hay más elementos (true) o no (false) en la estructura de datos.
6. Líneas 115-118: implementación del método iterator de la interfaz Iterator. Este método se encarga de iniciar un iterador al principio de la estrictura de datos para poderla recorrer desde el exterior. Note que el método regresa una referencia al mismo objeto (this) ya que su clase (Lista) implementa la interfaz Iterator y en ella están definidos los métodos requeridos para gestionar el iterador.
   
2. PruebaLista:
1. Línea 5: inclusión de la interfaz Iterator del paquete java.util.
2. Líneas 19-22: uso del iterador implementado en la clase Lista.

    Adicional a la interfaz Iterator, existe también en el API la interfaz Iterable (más reciente), que permite hacer uso de ciclos del tipo for-each. El Ejemplo ListaIterable muestra su implementación y uso y, dado que los cambios son menores y relativamente simples respecto del ejemplo anterior, se deja su análisis y estudio como ejercicio para el lector.

    Iteradores en C++. 

    La idea de un iterador debería ser el poder recorrer la colección o estructura de datos en cuestión desde el exterior sin tener que conocer los detalles de su implementación. En este sentido, un iterador será un objeto que haga referencia a un elemento dentro del contenedor (la lista) y, dado que finalmente es un apuntador, puede ser utilizado para acceder al elemento al que se refiere y para moverse a través de todos los elementos del contenedor.

    El Ejemplo lista_iterador se basa en general en el Ejemplo lista estudiado con anterioridad. Ahora bien, el primero ha sido rediseñado en su totalidad, por lo que podría resultar conveniente al lector comprender y analizar antes el Ejemplo lista2.

    Para el ejemplo en turno se han incorporado también algunas de las características más recientes del lenguaje C++, por lo que los cambios más sobresalientes se enuncian a continuación, manteniendo el énfasis en la implementación respecto al iterador:

• Implementación básica del iterador (líneas 67-94):
• Apuntadores que representan las referencias la nodo actual y anterior de la lista (líneas 69-70).
• Constructores y mecanismos de inicialización del iterador (líneas 73-74).
• Implementación de los tres operadores fundamentales (se puede y deben implementar otros):
• Operador de preincremento: ¿qué debe hacer el iterador cuando se incremente? (líneas 77-83).
• Operador de diferencia: ¿cómo sabe un iterador que es distinto de otro? (líneas 86-88).
• Operador de desreferencia: ¿qué regresa el iterador cuando se acceda a lo que apunta? (líneas 91-93).
• Incorporación de mecanismos que permitan obtener un iterador al inicio de la colección y poder determinar su fin (líneas 184-186).
• Uso del iterador:
• Uso del esquema para cada (for-each) en las líneas 206-207.
• Uso del esquema tradicional del iterador en las líneas 211-216.

    El ejemplo en turno incorpora algunas características nuevas en las que vale la pena documentarse, como el uso de noexcept, inline, auto, etc., se deja como ejercicio para el lector su documentación.

 

    Finalmente, cabe mencionar que una implementación más robusta de iteradores requiere de un conocimiento más amplio, sobre todo si se espera que nuestra estructura de datos pudiese ser utilizada por otros programadores o por los algoritmos de la biblioteca estándar. Lo expuesto aquí es sólo una implementación básica, ya que existen distintos tipos de iteradores, operadores de acceso, consideraciones de recorrido, etcétera. Un punto inicial y de buena referencia puede ser la sección de iteradores de cplusplus, en dónde podrá encontrar además la información referente a los otros aspectos utilizados en el ejemplo.

Listas doblemente enlazadas.

   Aunque una lista enlazada circular tiene ventajas sobre una lista simplemente enlazada (vea la entrada Listas circulares), también tiene algunas desventajas:

• No es posible recorrer la lista enlazada circular hacia atrás (o hacia la izquierda); es decir, sólo puede recorrerse en un sentido.
• Dada una referencia a un nodo determinado de la lista enlazada circular, no es posible eliminar dicho nodo utilizando únicamente dicha referencia (¿Por qué?).

   En este sentido, una estructura de datos conveniente para subsanar dichas desventajas es precisamente, la lista doblemente enlazada.

Definición, primitivas y representación.

   Una lista doblemente enlazada es una colección lineal de nodos auto referidos en donde cada nodo tiene dos referencias:

1. Una referencia al sucesor del nodo actual (siguiente).
2. Una referencia al antecesor del nodo actual (anterior).

   La representación de una lista doblemente enlazada se muestra en la figura (a). Observe cómo al igual que en una lista enlazada, una lista doblemente enlazada puede ser también doblemente enlazada circular (figura (b)). Esta última, sigue también las mismas consideraciones que se hicieron en su momento para una lista enlazada circular.

(a) Abstracción de una lista doblemente enlazada.

(b) Abstracción de una lista doblemente enlazada circular.

   Adicionalmente, las operaciones primitivas para una lista doblemente enlazada son exactamente las mismas que para una lista simplemente enlazada, por lo que no se repetirán aquí.

   Por otro lado, los diagramas de clases UML para los lenguajes Java y C++ de una lista doblemente enlazada se presentan a continuación. Los diagramas complementan la definición de la estructura de datos a través de su correspondiente diseño de clases:

Diagrama de clases UML para una lista doblemente enlazada (Java).

 

Diagrama de clases UML para una lista doblemente enlazada (C++).

 

    Por ultimo, note que dichos diagramas de clases son sustancialmente distintos de los que en general se han utilizado hasta ahora para el diseño de las anteriores estructuras de datos y que, exceptuando la clases ExcepcionEDVacia (excepcion_ED_vacia), tanto las clases ListaDoble (lista_doble) como las clases NodoDobleG (Nodo_doble) han sufrido cambios significativos. Consulte la sección de ejercicios correspondiente para obtener más detalles al respecto.

Listas circulares.

   Las listas enlazadas, también denominadas listas simplemente enlazadas, son sumamente útiles y convenientes para diferentes usos y aplicaciones; algunas de las cuales ya han sido mencionadas. Aunque las listas simplemente enlazadas son muy dinámicas presentan, como casi todo en la vida, ciertos inconvenientes.

   Algunas de las situaciones indeseables que se tienen con una lista simplemente enlazada son las siguientes:

• Dada una única referencia a un nodo determinado de la lista enlazada y suponiendo que éste no sea el primero, no se puede llegar a ninguno de los nodos que lo preceden, es decir, no pueden alcanzarse los nodos anteriores a él.
• Si por alguna razón se recorre la lista enlazada, siempre debe conservarse una referencia externa (además de la que se utilizó para el recorrido) al inicio de dicha lista enlazada con la finalidad de poder volver a recorrer la lista nuevamente en caso de ser necesario.

   Con base en lo anterior, considere la siguiente modificación respecto a la estructura de una lista simplemente enlazada:

El elemento siguiente en el último nodo hará referencia al primer nodo y no a null; siendo en esto diferente a lo que se define para una lista simplemente enlazada convencional.

   Al tipo de lista enlazada que adopta dicha modificación se le denomina lista simplemente enlazada circular. Su representación se muestra en la siguiente figura:

Abstracción de una lista simplemente enlazada circular representada como una secuencia de nodos.

 

    Es importante hacer notar que en una lista enlazada circular es posible llegar a cualquier otro nodo de la estructura de datos partiendo de un nodo distinto cualquiera, lo cual subsana los dos inconvenientes enunciados al principio de esta sección para una lista simplemente enlazada.

   Observe también que una lista enlazada circular no tiene un “primer” o “último” nodo natural, por lo que se debe establecer un primer y último nodo por convención, lo cual es más una conveniencia que una característica inherente a la estructura de datos.

   Finalmente, tome en cuenta que una referencia a null/nullptr (Java/C++) representa una lista circular vacía, y que una lista circular de un solo nodo es un nodo cuyo atributo de auto referencia contiene una referencia hacia sí mismo como lo muestra la siguiente figura:

Lista circular de un solo elemento.

   El problema de Josephus.

   El siguiente es un problema clásico en el área de las estructuras de datos, y su solución utilizando listas enlazadas circulares es una aplicación clave:

   Un grupo de soldados se encuentra rodeado por una abrumadora fuerza enemiga. No hay esperanza de victoria sin refuerzos. Lamentablemente, sólo hay un caballo disponible para ir en su busca (o escapar).

   Los soldados realizan un pacto de honor para determinar cuál de ellos tomará el caballo y, en el mejor de los casos, pedirá ayuda. Para ello, forman un círculo y van eligiendo un número de un sombrero (n). También se elige uno de los nombres de los soldados de otro sombrero.

   Iniciando con el soldado cuyo nombre se eligió, se empieza a contar en el sentido de las manecillas del reloj alrededor del círculo. Cuando la cuenta llega a n el soldado correspondiente se retira del círculo y la cuenta vuelve a empezar con el soldado que se encontraba a su derecha.

   El proceso continúa análogamente hasta que sólo queda un soldado, mismo que tomará al caballo y pedirá ayuda (o escapará trágica e irremediablemente para los demás soldados).

   En resumen el problema de Josephus es: dado un número entero positivo n, el ordenamiento de los soldados en el círculo, y el soldado a partir del que comienza la cuenta, determinar:

1. El orden en el cual se eliminan los soldados del círculo.
2. Cuál soldado es el que escapa.

   La solución al problema de Josephus se deja como ejercicio para el lector.

Herencia vs. composición (listas).

   Uno de los aspectos más importantes de la programación orientada a objetos es la conveniencia de la reutilización de código por medio de la abstracción. En este sentido, dos de los esquemas más comunes al respecto son: la herencia y la composición.

   Esta entrada muestra, por medio de un ejemplo ya conocido y presentado previamente al lector, la implementación de una pila utilizando una lista enlazada. Dicha implementación se realiza empleando los dos esquemas mencionados con anterioridad. Así mismo, se analizan las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.

   Implementación de una pila utilizando herencia.

   La implementación de una pila por medio de una lista con un enfoque basado en la herencia es en realidad bastante simple. Para muestra, basta con ver el código del código del Ejemplo PilaH.

   Observe que la clase del Ejemplo PilaH no define atributos, y que únicamente define dos constructores y los métodos push y pop; lo cual también ha sido representado en el diagrama de clases UML de la siguiente figura.

Diagrama de clases UML para la implementación de una pila utilizando herencia y una lista enlazada.

 

    Insto nueva y amablemente al lector a que compare, contraste, y analice con detenimiento antes de continuar, a la figura anterior con el Ejemplo PilaH.

   Note que los métodos push (líneas 14-16) y pop (líneas 18-20) del Ejemplo PilaH no hacen otra cosa más que encapsular el comportamiento de los métodos insertaAlInicio y eliminaDelInicio respectivamente, los cuales son servicios o comportamiento definidos en la clase Lista del Ejemplo Lista. Note también que es posible acceder a dichos métodos debido a que la clase PilaH hereda de la clase Lista (línea 5).

   Observe que como parte del mecanismo de la herencia, tampoco es necesario definir el comportamiento de los métodos estaVacia e imprime dentro de la clase PilaH, ya que se encuentran definidos en la clase Lista.

   El primero de dichos comportamientos forma parte de la definición de las primitivas de la estructura de datos pila, mientras que el segundo es utilizado en la clase PruebaPilaH del Ejemplo PruebaPilaH (líneas 11 y 20), la cual es la clase de prueba del Ejemplo en cuestión.

La salida del Ejemplo PruebaPilaH se muestra en la siguiente figura:

Salida del Ejemplo PruebaPilaH.

 

    Consideraciones.

   Al menos en apariencia, el mecanismo de la herencia resulta sumamente conveniente con base en lo expuesto con anterioridad; sin embargo, presenta algunos inconvenientes potenciales que vale la pena considerar.

   Las instancias de la clase PilaH, al heredar las características y el comportamiento inherentes a una lista enlazada, pueden hacer uso de los métodos de inserción y de eliminación correspondientes a ésta, por lo que desde esta perspectiva, un objeto de dicha clase podría permitir inserciones y eliminaciones, no únicamente del tope de la pila (representado por inicio), sino también de la base de la pila ("representada" por fin) a la que se supone, por definición de pila, no se debe tener acceso.

   Tome en consideración que todavía se podría transgredir más la definición de una pila, ya que potencialmente es posible también insertar en, o eliminar de cualquier parte de la estructura de datos con las modificaciones correspondientes (vea el Ejercicio 2.2 de los Ejercicios selectos), lo cual queda completamente fuera tanto de la definición que se hizo de la pila, como de las operaciones primitivas que le son inherentes.

Implementación de una pila utilizando composición.

   La implementación de una pila utilizando el enfoque de composición, se basa en la idea de que una lista enlazada contiene ya definidas las operaciones que necesita una pila, pero que también, como se discutió con anterioridad, contiene otras operaciones que no deberían ser utilizadas por la misma.

   En función de lo anterior y de manera conveniente, lo que puede hacerse es encapsular las operaciones de la lista enlazada dentro de las de la pila con la finalidad de proporcionar una interfaz o un conjunto de servicios ad hoc con la definición de la estructura de datos en cuestión: la pila.

Diagrama de clases UML para la implementación de una pila utilizando composición y una lista enlazada.

 

    La figura anterior muestra el diseño en diagrama de clases UML la definición de una pila que utiliza o contiene (has-a) una lista enlazada para su implementación. Observe y compare con detenimiento dicho diagrama con el respectivo diagrama UML para la implementación con herencia, y note que el cambio principal está en la clase PilaC y en la relación entre ésta y la clase Lista.

   Ahora bien, la definición de la clase PilaC se muestra en el Ejemplo PilaC. Insto una vez más al lector a que ponga atención en dos aspectos:

1. La relación entre el diagrama de clases de la figura anterior y el Ejemplo PilaC.
2. Los métodos push (líneas 16-18), pop (líneas 20-22) e imprime (líneas 24-26) no hacen otra cosa más que encapsular de manera conveniente, los mensajes enviados al objeto tope (línea 6), mismos que son llevados a cabo por los métodos correspondientes definidos en la clase Lista.

   Con base en lo anterior, los objetos instanciados de la clase PilaC sólo podrán acceder a los servicios definidos explícitamente en dicha clase y a ningún otro más independientemente de los métodos que posea la clase Lista, lo cuál hace que, desde el punto de vista de la abstracción y la representación de la estructura de datos, el enfoque de la composición sea mucho más conveniente, aunque un poco más laborioso, que el de la herencia. Por otro lado, para implementar una pila utilizando una lista enlazada la cantidad nueva de código se reduce significativamente; sin embargo, si bien es cierto que uno de los enfoques del paradigma orientado a objetos se basa en la reutilización del código, es importante que el lector se haga consciente de estos dos aspectos, ya que cada uno de ellos tiene sus ventajas y desventajas, y la decisión final de implementación debería tomarse con pleno conocimiento de causa, ya que no siempre es mejor tomar el camino más fácil (herencia).

   La clase de prueba del Ejemplo PilaC se muestra en el Ejemplo PruebaPilaC y sigue el mismo mecanismo de inserción que el los ejemplos de prueba anteriores. Finalmente, compruebe que la salida del Ejemplo PruebaPilaC coincide exactamente con la salida correspondiente del Ejemplo PruebaPilaH, y que desde el punto de vista de la ejecución, no podría saberse cuál fue el enfoque de diseño elegido.

Listas (implementación).

   La implementación de una lista enlazada se muestra en el Ejemplo Lista. Note que con base en lo descrito en el diagrama de clases UML de la siguiente figura y a lo definido en el código fuente de dicho ejemplo, se hace uso de las clases NodoG y ExcepcionEDVacia, mismas que ya han sido explicadas y analizadas en entradas anteriores por lo que ya no se presentan ni se describen aquí (si el lector desea una descripción de dichas clases, refiérase a la entrada Pilas (implementación)).

Diagrama de clases UML para una lista enlazada.

 

    Adicionalmente a lo anterior, el Ejemplo Lista muestra la definición de los métodos estaVacia e imprime, los cuales también han sido presentados y descritos en ejemplos anteriores; de hecho, se han reutilizado aquí con toda la intención, ya que el comportamiento representado por ellos cumple con los requerimientos necesarios para una lista enlazada.

   Con base en lo anterior, únicamente se describirán los siguientes métodos:

• insertaAlInicio (líneas 18-23) como su nombre lo indica, el método inserta elementos en la parte referida por inicio.

   Si la estructura de datos está vacía (línea 19), se crea el nodo (objeto) con el elemento correspondiente, el cual será referido tanto por inicio como por fin (línea 20). En caso contrario, se inserta el elemento siguiendo la misma idea que se utilizó para la pila (línea 22).

• insertaAlFinal (líneas 25-32) como su nombre lo indica, el método inserta elementos en la parte referida por fin.

   Si la estructura de datos está vacía (línea 26), se crea el nodo (objeto) con el elemento correspondiente, el cual será referido tanto por inicio como por fin (línea 27; observe que hasta aquí se hace exactamente lo mismo que para el método anterior: insertaAlInicio). En caso contrario, se inserta el elemento siguiendo la misma idea que se utilizó para la cola de espera (líneas 29-30).

• eliminaDelInicio (líneas 34-47) como su nombre lo indica, este método elimina elementos en la parte referida por inicio.

   Si la estructura de datos está vacía (línea 35), se lanza la excepción ExcepcionEDVacia (línea 36). En caso contrario, se procede a la eliminación del elemento de manera análoga a como se hizo para la cola de espera (líneas 38-46).

• eliminaDelFinal (líneas 49-68) como su nombre lo indica, elimina elementos en la parte referida por fin.

   Si la estructura de datos está vacía (línea 50), se lanza la excepción ExcepcionEDVacia (línea 51). En caso contrario, se procede a la eliminación del elemento correspondiente, para ello:

1. Si sólo existe un elemento (línea 56), se actualizan las referencias (línea 57). En caso contrario (línea 58):
2. Se realiza un recorrido (líneas 59-61) por la estructura de datos desde el inicio (línea 59), para determinar el elemento anterior al referido por fin (¿Por qué?).
3. Se actualizan las referencias correspondientes (líneas 63-64).

   La clase de prueba para el Ejemplo Lista se muestra en el Ejemplo PruebaLista. Note que se insertan diez números enteros, y que para los números pares se utiliza el método insertaAlInicio, mientras que para los números impares se utiliza el método insertaAlFinal. Observe también cómo para la eliminación ocurre lo correspondiente.

   Finalmente, la siguiente figura muestra la salida del Ejemplo PruebaLista.

Salida del Ejemplo PruebaLista.

Ejercicios selectos (listas).

Media aritmética (promedio).

Desviación estándar.

Regresión lineal.

Coeficiente de correlación.

1. Modifique el Ejemplo PruebaLista para que permita leer datos (Integer) desde la entrada estándar (teclado).
2. Considerando la definición de una lista enlazada, modifique el Ejemplo Lista para que:
1. Incorpore un atributo privado numérico (n) que lleve el control del número de elementos insertados en la lista enlazada. Al respecto no olvide:
1. Inicializar explícitamente dicho atributo a cero en el constructor.
2. Proporcionar únicamente el método de tipo get para el atributo n: obtenN( ).
2. Considere otras operaciones de inserción para la lista enlazada, como por ejemplo:
1. insertaDespuesDe(e1, e2) inserta al elemento e1 después del elemento e2. Si e1 pudo ser insertado, se debe regresar true para notificar éxito. En caso contrario (quizá el elemento e2 ni siquiera exista dentro de la lista enlazada), se deberá regresar false.
2. insertaAntesDe(e1, e2) inserta al elemento e1 antes del elemento e2. Si e1 pudo ser insertado, se debe regresar true para notificar éxito. En caso contrario (quizá el elemento e2 ni siquiera exista dentro de la lista enlazada) se deberá regresar false.
3. insertaOrdenado(elemento) inserta al elemento en orden ascendente dentro de la lista enlazada.
3. De preferencia genere, como parte de su diseño, el diagrama de clases UML para la nueva definición de la lista enlazada. Puede apoyarse de los diagramas de clases presentados en el blog.
3. Modifique el Ejemplo PruebaLista para que almacene otro tipo de objetos además de los de la clase Integer. Pruebe con al menos las siguientes clases:
1. Double.
2. String.
3. Persona (del Ejemplo Persona).
4. Cientifico (del Ejemplo Cientifico). Revise las consideraciones hechas para el Ejercicio 7 de colas, sobre todo para insertar los elementos de manera ordenada (Ejercicio 2.2.3).
   
4. En el blog (entrada Herencia vs. composición) se hace mención de los inconvenientes de la implementación de una pila por medio de la herencia de una lista enlazada. Compruebe con al menos un ejemplo, la posibilidad de realizar una operación no válida  para una pila. Puede basarse en el Ejemplo PruebaPilaH.
5. Con base en lo descrito en el blog (entrada Herencia vs. composición), realice la implementación de una cola de espera utilizando una lista enlazada. Para lo anterior, siga los enfoques de:
1. Herencia (apóyese del Ejemplo PilaH).
2. Composición (apóyese del Ejemplo PilaC).
6. Respecto al ejercicio anterior, determine sus propias conclusiones respecto al mecanismo de herencia vs. composición para ambos tipos de implementación.
7. Modifique el Ejemplo PruebaPilaH y el Ejemplo PruebaPilaC para realizar las clases de pruebas respectivas del Ejercicio 5. Posteriormente, asegúrese de que es posible almacenar otro tipo de objetos además de los de la clase Integer. Pruebe con al menos las siguientes clases:
1. Double.
2. String.
3. Persona (del Ejemplo Persona).
4. Cientifico (del Ejemplo Cientifico).
8. Con base en la descripción hecha en el blog (entrada Listas circulares) ¿Cuáles son las consideraciones necesarias para la implementación de una lista enlazada circular? ¿Cómo deben hacerse las inserciones? ¿Cómo deben hacerse las eliminaciones? ¿Cuáles serían las operaciones primitivas respecto de una lista simplemente enlazada? ¿Qué otras operaciones, además de las presentadas en el blog se podrían definir? En este sentido, implemente una lista enlazada circular y pruébela, ya que será necesaria para la solución del siguiente ejercicio.
9. Utilice la implementación de la lista enlazada circular del ejercicio anterior para resolver el problema de Josephus descrito en el blog (entrada Listas circulares). Para ello:
1. Considere que existen N soldados (se deberá solicitar y leer). Para cada uno de dichos soldados deberá solicitar su nombre, por lo que se recomienda que la lista enlazada circular almacene objetos de la clase String.
2. En cada iteración (determinación de la eliminación de un soldado), genere un número aleatorio n, donde 0 < n <= N.
3. De manera paralela al almacenamiento de los soldados en la lista enlazada circular, almacene el nombre de los soldados en un arreglo y genere otro número aleatorio m, de tal forma que m sea el índice correspondiente al arreglo de nombres de los soldados, y servirá para elegir al soldado inicial. Tome en cuenta que 0 <= m < N.
10. Con base en la descripción y la definición de una lista doblemente enlazada que se realizó en la entrada Listas doblemente enlazadas y considerando lo descrito en el diagrama de clases UML correspondiente, realice la implementación de una lista doblemente enlazada. Para realizar lo anterior, considere la siguiente descripción para los métodos a implementar:
1. insertaAlInicio(elemento) agrega elemento al inicio de la lista doblemente enlazada.
2. insertaAlFinal(elemento) agrega elemento al fin de la lista doblemente enlazada.
3. eliminaDelInicio( ) elimina un elemento del inicio de la lista doblemente enlazada.
4. eliminaDelFinal( ) elimina un elemento del fin de la lista doblemente enlazada.
5. estaVacia( ) regresa verdadero o falso dependiendo de si la lista doblemente enlazada contiene o no elementos respectivamente.
6. imprime( ) imprime en la salida estándar (pantalla) los elementos de la lista doblemente enlazada.
7. obtenN( ) regresa el número de elementos actualmente almacenados en la lista doblemente enlazada.
8. insertaDespuesDe(e1, e2) inserta al elemento e1 después del elemento e2. Si e1 pudo ser insertado, se debe regresar true para notificar éxito. En caso contrario (quizá el elemento e2 ni siquiera exista dentro de la lista doblemente enlazada), se deberá regresar false.
9. insertaAntesDe(e1, e2) inserta al elemento e1 antes del elemento e2. Si e1 pudo ser insertado se debe regresar true para notificar éxito. En caso contrario (quizá el elemento e2 ni siquiera exista dentro de la lista doblemente enlazada) se deberá regresar false.
10. insertaOrdenado(elemento) inserta al elemento en orden ascendente dentro de la lista doblemente enlazada.
11. Con base en la implementación de la lista doblemente enlazada del ejercicio anterior ¿Qué cambios habría que realizar para la implementación de una lista doblemente enlazada circular?
12. Considere las fórmulas de media aritmética, desviación estándar, regresión lineal y coeficiente de correlación presentadas al inicio de la entrada de ejercicios, donde n es el número de elementos en el conjunto de datos y x e y son elementos del conjunto de datos. Utilizando la implementación de la lista doblemente enlazada del Ejercicio 10, escriba un programa que realice el cálculo de cada una de las formulas mencionadas. Sugerencia: formule cada una de las expresiones como un método dentro de una clase que se llame Formulas.
13. Considere el Ejercicio 6 (Round robin) de la entrada Ejercicios selectos (colas) y la figura que aparece al final de la presente lista de ejercicios. Se tiene una lista enlazada (vertical) con tres nodos y en cada uno de ellos una referencia a una cola de espera representada en dicha figura por inicio. La figura muestra un estado determinado de tres colas de espera con números enteros que representan las cantidades a considerar (quantum). Utilizando cada una de las colas de espera referidas por la lista enlazada, implemente el algoritmo de Round robin por niveles tomando en consideración lo siguiente:
1. La atención de los elementos formados en la cola de espera consiste en restarle uno al quantum del nodo que se encuentra al inicio de la cola, y volverlo a formar al final de la misma para atender de manera análoga a los siguientes nodos. Tome en consideración que, una vez que el número llega a cero, el nodo correspondientes es eliminado.
2. La atención se realiza con base en la prioridad de los elementos de la cola de espera, la cual está representada por los números 1, 2 y 3 de la lista enlazada vertical, donde 3 y 1 son la prioridad más alta y más baja respectivamente. No es posible atender a los elementos formados en un cola de espera cuya prioridad sea menor siempre que existan elementos que necesitan ser atendidos en alguna cola de espera de prioridad mayor.
3. El proceso anteriormente descrito continúa hasta atender o despachar a todos los nodos formados en las tres colas de espera. Para lo anterior, considere:
1. Genere un número aleatorio entre 1 y 3, mismo que representará la prioridad para seleccionar la cola de espera correspondiente (Suponga que salió el 3).
2. Para cada cola de espera, genere un número aleatorio entre 10 y 50, el cual representará el número de nodos que contendrá la cola de espera en cuestión (Si el nuevo número aleatorio es 48 por ejemplo, se tendrán que generar 48 nodos que se formaran en la cola asociada al nivel 3).
3. Por cada nodo, genere nuevamente un número aleatorio entre 1 y 500, mismo que representará el quantum asignado a cada nodo.
4. No olvide construir también una clase de prueba para su implementación. La salida de su programa puede ser en la salida estándar o en un archivo de texto.
5. Quizá pueda resultar útil al lector revisar el siguiente Ejemplo de implementación de una lista de listas como apoyo para la generación de su propio diseño en la resolución de este interesante problema.
   

Representación de Round robin por niveles de prioridad.

Listas (definición).

Definición.

   Una lista es, en general, una colección lineal de elementos; mientras que una lista enlazada es, en el contexto que nos compete, una colección lineal de objetos (nodos) auto referidos.

   Se tiene acceso a una lista enlazada por medio de una referencia al primer nodo de la lista. Aunque resulta más conveniente, por las características inherentes a la implementación de la estructura de datos, que existan dos referencias a la misma: una que refiera el inicio de la lista, y otra que refiera el fin de la lista. El acceso a los nodos intermedios subsecuentes, se realiza a través del enlace o referencia que contiene cada uno de ellos.

   Una lista enlazada es más conveniente que un arreglo estático por ejemplo, cuando no es posible determinar con anticipación el número de elementos a almacenar en la estructura de datos.

   Las listas enlazadas son dinámicas, por lo que se puede aumentar o disminuir a discreción el número de elementos de la lista. Un aspecto importante a considerar respecto a las listas enlazadas es que pueden, simplemente por conveniencia, mantenerse en orden (tome en cuenta el lector que, aunque esto puede resultar sumamente conveniente, no es una característica inherente a la estructura de datos) insertando cada nuevo elemento en el punto apropiado dentro de la lista enlazada.

   Normalmente los nodos de las listas enlazadas no están almacenados en forma contigua en la memoria; sin embargo, lógicamente los nodos aparecen como contiguos. Esto obedece a su representación física y lógica respectivamente.

   Operaciones primitivas.

   Se definen cinco operaciones primitivas sobre una lista enlazada (entre paréntesis aparece la definición para C++):

1. La operación insertaAlInicio (inserta_al_inicio) agrega un elemento al inicio de la lista enlazada.
2. La operación insertaAlFinal (inserta_al_final) agrega un elemento al final de la lista enlazada.
3. La operación eliminaDelInicio (elimina_del_inicio) elimina un elemento del inicio de la lista enlazada.
4. La operación eliminaDelFinal (elimina_del_final) elimina un elemento del final de la lista enlazada.
5. La operación estaVacia (esta_vacia) regresa verdadero o falso, dependiendo de si la lista enlazada contiene o no elementos respectivamente.

   Tome en cuenta que los elementos de una lista enlazada podrían ser insertados en cualquier parte, y que en función de ellos, podrían ser definidas más operaciones sobre una lista enlazada, por lo que el mecanismo de inserción estará en función directa de las necesidades específicas para la implementación de la estructura de datos.

  En este sentido, si se desea mantener una lista enlazada ordenada por ejemplo, se deberá ir recorriendo la lista enlazada de manera secuencial, hasta encontrar el lugar apropiado para la inserción de cada uno de los elementos que la conformarán.

   Por otro lado, la eliminación de un elemento particular, podría consistir en primer lugar, en la localización de dicho elemento dentro de la lista enlazada. Si existe, se procede a su correspondiente eliminación; en caso contrario, se debería indicar que el elemento que se está intentando eliminar, no existe dentro de la estructura de datos.

   Representación.

   Como se mencionó en la sección anterior, el acceso a una lista enlazada se realiza por al menos una referencia al primer nodo de dicha lista enlazada. Aunque por otro lado, resulta más conveniente, por las características inherentes a la implementación de la estructura de datos, que existan dos referencias hacia la misma: una que refiera el inicio de la lista enlazada, y otra que refiera el fin de la lista enlazada.

   El acceso a los nodos intermedios subsecuentes se realiza a través del enlace o referencia que contiene cada uno de ellos. Por regla convencional, para marcar el fin de la lista enlazada, el enlace al siguiente nodo en el último nodo de la lista enlazada se establece a null (nullptr).

   La representación mostrada en la siguiente figura es una abstracción de la implementación que se realizará en una entrada posterior. También coincide con la representación lógica de una lista enlazada.

Abstracción de una lista enlazada como una secuencia de nodos.

 

    Observe cómo la figura anterior luce muy similar a la figura correspondiente a las colas de espera, ya que también hace uso de dos referencias: inicio y fin, mismas que denotan respectivamente el primero y el último de los elementos almacenados en la lista enlazada. Note también que, para el caso de un solo elemento, dichas referencias harán referencia, valga la redundancia, al mismo nodo.

   Por otro lado, los diagramas de clases UML que se presentan a continuación, muestran el diseño de clases de la lista enlazada que se desea implementar. Dicho diseño complementa, en conjunción con la definición hecha con anterioridad, el concepto de lista enlazada.

Diagrama de clases UML para la lista enlazada (Java).

  

Diagrama de clases UML para la lista enlazada (C++).

 

    Los diagramas de clases UML de las figuras anteriores muestran también la relación que existe entre las clases más importantes que se involucrarán durante la implementación de la lista enlazada. Tome el lector el tiempo que considere necesario para revisar, analizar y comprender dichos diagramas de clases antes de avanzar a la implementación correspondiente.

Estructuras de datos (panorama general).

   De manera general, es posible decir que una computadora es una máquina que manipula y procesa datos.

   Ahora bien, las estructuras de datos están relacionadas con el estudio de cómo es que se organizan los datos dentro de una computadora, así de cómo es que se manipulan, procesan y emplean dichos datos para representar información que sea de utilidad para las personas (abstracción).

   Existen muchos tipos de estructuras de datos, y para cada una de ellas hay diferentes variaciones que las particularizan y especifican para un contexto de uso particular.

   Un tratado amplio y completo de las estructuras de datos queda fuera de los alcances de este blog, por lo que sólo se mencionarán algunas de las estructuras de datos más comunes y convencionales, así como algunas de sus variaciones.

   A continuación se presenta una descripción muy general de las estructuras de datos que se analizarán en entradas posteriores:

• Pilas: son estructuras de datos ampliamente utilizadas y sumamente importantes en compiladores y sistemas operativos por ejemplo. En una pila, las inserciones y las eliminaciones se efectúan únicamente en un extremo de la estructura de datos: su parte superior.
• Colas de espera: este tipo de estructuras de datos representan en general líneas de espera; las inserciones se efectúan en la parte posterior de la misma y las eliminaciones se realizan por la parte delantera.
• Listas enlazadas: son colecciones de elementos de datos alineados en una fila. En una lista enlazada, las inserciones y las eliminaciones se efectúan en cualquier parte de la estructura de datos.
• Árboles binarios: son estructuras de datos que facilitan la búsqueda, la clasificación u ordenamiento de los datos a alta velocidad, la eliminación de elementos duplicados, la representación de sistemas de archivos y directorios, y las expresiones de compilación entre otras muchas aplicaciones.

   Cada una de estas estructuras de datos tienen muchas otras y muy interesantes aplicaciones, algunas de las cuales, se presentan y describen en las entradas correspondientes a cada una de ellas.