Tankocka – Egyszerű sorbarendezés: Java forráskód

Folytatjuk Tankockák blog bejegyzés sorozatunkat. A feladatban helyes sorrendbe kell állítani a Java forráskód sorait. Ez főként a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyamunk tematikájához kötődik.

A Java program véletlenszerű ötöslottó szelvényt állít elő. Adatszerkezetként generikus listát használ. Amikor csak lehet, épít a kollekció beépített képességeire (eldöntés, sorozatszámítás, rendezés). A szakterületnek megfelelően az ötöslottó szelvényen tárolt számok „emelkedő számsorrendben” jelennek meg. A forráskódban nincs jelölve a csomag, importok, behúzás, tagolás, igazítás.

Tankocka – Hang/Film felirattal: a barátkozás algoritmusa Dr. Sheldon Cooper szerint

Folytatjuk Tankockák blog bejegyzés sorozatunkat. A feladatban válaszolni kell a videóban megjelenő – algoritmusokhoz kapcsolódó – hat kérdésre! A videó a népszerű Agymenők (The Big Bang Theory) című sorozat 2. évad 13. epizódjából való, melynek címe: A barátkozás módszertana (The Friendship Algorithm). Ez a témakör főként az alapozó tanfolyamunkhoz kötődik: Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam.

Az algoritmusok a tipikusan programozási nyelvtől független, konvertálható tudást jelentik és mindig szükség van rájuk. Többféle jelölésrendszer is kapcsolódik hozzájuk, például folyamatábra, mondatszerű leírás, struktogram, Jackson-ábra. Az UML jelölésrendszer elemei közül az objektumok kommunikációját, viselkedését leíró ábrák is algoritmusleíró eszköznek tekinthetők.

Skandináv lottó demóprogram

Skandináv lottó (heteslottó) demóprogramot tervezünk és írunk meg Java nyelven. Lépésenként mutatja meg, hogy mi történik a háttérben: hogyan állítja elő véletlenszerűen a lottószelvényt.

Az emlékezet egy logikai tömb. Ebben 36 elem van. A nulladik elem nem számít, és legyen a többi elem (1-35-ig indexelve) kezdetben mind hamis. A cél: legyen a tömbben pontosan 7 db igaz érték. Másképpen: a logikai tömb a lottószelvényen megjátszható számok kiválasztottságát jelöli, igen vagy nem. A heteslottó-szelvény 7 db 1 és 35 közötti különböző egész számból áll.

Mindig 1 és 35 közötti egész véletlenszámot tippelünk. Kezdetben jóSzámDb=0. Az első tipp biztosan jó és jóSzámDb=1. A többi tipp esetén vizsgálni kell, hogy már kiválasztott-e. Ha igen, akkor nincs teendőnk. Ha nem, akkor meg kell jegyezni (kiválasztottá kell tenni, azaz igazzá kell állítani a logikai tömbben) és a jóSzámDb++ (növelhető). Mindezt ciklusban ismételjük, amíg a jóSzámDb<7 feltétel teljesül (másképpen: amíg nincs elegendő kiválasztott szám a szelvényen). Mindez biztosítja az egyediséget, különbözőséget. Ha jóSzámDb==7, akkor kiírjuk a lottószelvényre kerülő számokat az alapján, hol (melyik indexen) van a logikai tömbben igaz érték.

Tekintsük át az alkalmazott módszer hátrányait és előnyeit. Hátrány, hogy 36 logikai érték szükséges ahhoz, hogy 7 különböző számot előállítsunk. Előny, hogy egyszerű az algoritmus (nem kell keresés és megszámolás programozási tétel) és nincs szükség rendezésre sem, mert a szakterületre jellemző „emelkedő számsorrend” a logikai tömb bejárásával önkéntelenül is adódik. Hangsúlyozzuk, hogy ez csupán egyetlen módszer a nagyon sok izgalmas közül, amikkel generálható egy véletlenszerű lottószelvény.

A megvalósítás, Java forráskód egyszerű. Íme egy függvény, amely visszaadja azt kiválasztottságot jelölő logikai tömböt, amiből megfelelően indexelve kiíratható a véletlenszerűen generált lottószelvény:

Egy demóprogram, szimulációs program, oktatóprogram esetén nem is a konkrét feladat megoldása a cél/probléma. Sokkal inkább a lépésenkénti bemutatás, sok-sok konzolos kiírással vagy grafikus szemléltetéssel. Sokszor időzítővel késleltetjük, lassítjuk, gyorsítjuk a folyamatot, de előfordul az is, hogy rengetegszer megismételjük a tevékenységet és a kapott adatokat elemezzük, következtetünk belőlük. Most például a ciklust ki kell cserélni olyan léptetésre, ami a felhasználó kattintásához kötődik. Ha kéri a következő tippet a lottószelvényre, akkor megkapja. Ha nem kattint, akkor nem kapja meg. Az is egy csalás/lehetőség lenne, hogy a háttérben nem is logikai tömb adatszerkezet van, csupán a vizualizáció miatt tűnik annak.

Az elkészült demóprogram megvalósítja a fenti algoritmust. Az alábbi képernyőképeken végiglapozható a demóprogram működése. Nem is az algoritmus megvalósítása a kihívás és a cél, hanem a folyamat lépésenkénti megjelenítése. Java swing grafikus felület készült el.

 

A demóprogram Start állapottal indul. Olyan a lépésenként tesztesetek sorozata, hogy a lottószelvény nem sikerül rögtön elsőre. Az egyik szám már előfordult korábban. A demóprogram Stop állapottal ér véget. A demóprogram pénztárszalagszerűen időnként jelzi, hol tart éppen. A demóprogram képes egymás után több lottószelvényt is előállítani és az emlékezete egyetlen szelvényre korlátozódik.

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

A Java SE szoftverfejlesztő tanfolyamunkon, a szakmai modul Objektumorientált programozás témakörét követő 29-36. óra Grafikus felhasználói felület alkalmain már tudunk egyszerűbb szimulációs programot tervezni, kódolni, tesztelni. A Java EE szoftverfejlesztő tanfolyamunkon, a szakmai modul 33-40. óra Java Server Pages alkalmain már a program böngészőben futó változatát is el tudjuk készíteni.

Keresztrejtvény készítése

Támogatjuk a keresztrejtvények készítését Java programmal. A program grafikus felülete eszköztárból és a keresztrejtvényből áll. Az elkészült programban 10×10-től 15×15-ig beállítható négyzetrács készíthető elő. A tiltott négyzetek száma 15-től 30-ig beállítható. Mivel a tiltott négyzetek helyzete véletlenszerű, így nem biztos, hogy az elsőre jó/szerencsés lesz, ezért újragenerálható a négyzetrács. A program a tipikus követelményeknek megfelelően sorfolytonosan sorszámozza a négyzetrács elemeit, ami alapján megadhatók hozzá a vízszintes és függőleges feladványok. A program az elfogadott négyzetrácsot többféle képformátumban is el tudja menteni.

Az elkészült Java program grafikus felülete

Objektumorientált tervezés

A keresztrejtvény ábrája egy négyzetrácsból áll, amelyben rejtvénymezők helyezkednek el. A rejtvénymezőnek megfelel egy örökítéssel felüldefiniált címkekomponens. A rejtvénymezőt körülveszi egy szegély/keret, tiltott vagy sem állapotától függően fekete vagy fehér a háttérszíne, valamint van a bal felső sarkához igazított kis méretű betűvel nem kötelezően megjeleníthető sorszáma. A tiltott és sorszám tulajdonságait kell tudni beállítani és megkérdezni. Ez a feladatban a RejtvenyMezo POJO. A négyzetrács sorai és oszlopai azonos méretűek (pixelre és darabszámra egyaránt).

Algoritmus a keresztrejtvény sorszámozására

A rejtvénymezők kétdimenziós négyzetes mátrixban/tömbben helyezkednek el. A sorszámozáshoz hasznos, ha a négyzetrácsot körbeveszi egy tiltott rejtvénymezőkből álló keret. Először a rács sorain és oszlopain végighaladó egymásba ágyazott ciklusok létrehozzák a POJO-kat úgy, hogy a négyzetrács keretén lévő rejtvénymezők tiltottak, a többi nem tiltott. Ezután véletlenszerűen ki kell választani – a még nem tiltottak közül – a szükséges mennyiségű tiltott rejtvénymezőt. Ezután sorfolytonosan sorszámozni kell azokat a rejtvénymezőket, ahol vízszintes vagy függőleges feladvány kezdődik. Ehhez is két egymásba ágyazott ciklus kell, amelyben minden még nem tiltott rejtvénymező egyre növekvő sorszámot kap, ha tőle balra tiltott és tőle jobbra nem tiltott rejtvénymező helyezkedik el, de akkor is, ha felette tiltott és alatta nem tiltott rejtvénymező található.

A keresztrejtvényt sorszámozó algoritmus Java megvalósítása

Továbbfejlesztési lehetőségek

  • A feladványok listázhatók és kideríthető a hosszuk.
  • A tiltott rejtvénymezők véletlenszerű elhelyezése helyett lehetne valamilyen szabály, stratégia az egymáshoz való helyzetükre, távolságukra, közvetlen szomszédságukra vonatkozóan. Figyelembe vehetnénk valamilyen szimmetriát is, mintákat, alakzatokat is. Véletlenszerű elhelyezésük nem biztos, hogy mindig jó/szerencsés: például a tiltott rejtvénymezők körbezárhatnak egy nem tiltottat, hosszabb feladványokat nehezebb találni…
  • A Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam tematikájához kötődően többféle szótárból, fájlformátumból betölthetünk a feladványokhoz használható, például 7 betűs országnevek, 2 betűs kémiai elemek, női/férfi keresztnevek, autójelek, pénznemek, szinonimák…
  • A Java EE szoftverfejlesztő tanfolyam tematikához kötődően többféle webes adatforrásból, Wikipédiából, szótárból, API hívásokkal letölthetünk a feladványokhoz használható listákat, meghatározásokat, kulcs-érték párokat. A swing-es felületet lecserélhetjük böngészőben futó webes GUI-ra is.
  • A Java adatbázis-kezelő tanfolyam tematikájához kötődően a fentiek kiegészítéseként tervezhetünk és építhetünk helyben tárolt tudástárat, adatbázist, amiből hatékonyan lekérdezve adhatunk feladványokat a keresztrejtvényhez.
  • Miután a fentiek szerint valahogyan – tipikusan visszalépéses algoritmussal – meghatároztuk a feladványokat, a keresztrejtvényből menthetünk kitöltött változatot is.

A bejegyzéshez tartozó teljes forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Barátságos számok

számok

Azokat a számpárokat, amelyekre igaz, hogy az egyik szám önmagánál kisebb osztóinak összege megegyezik a másik számmal és fordítva, külön-külön barátságos számoknak, együtt barátságos számpárnak hívjuk.

Másképpen: legyen d(n) az n természetes szám önmagánál kisebb osztóinak összege. Ha d(a)=b és d(b)=a, ahol ab, akkor a és b barátságos számpár.

Például: (220; 284), hiszen a 220 önmagánál kisebb osztói: 1, 2, 4, 5, 10, 11, 20, 22, 44, 55, 110 és ezek összege 284, illetve 284 önmagánál kisebb osztói: 1, 2, 4, 71, 142 és ezek összege 220.

Írjunk Java programot, amely kiírja az 1-10000 zárt intervallumban található barátságos számpárokat!

1. megoldás

A baratsagosSzamparok1() eljárás ciklusai a brute force módszer szerint behelyesítik az összes lehetséges számot. Minimális lépésszám csökkentésre adódik lehetőség, hiszen a belső ciklus j változója i+1-ről indítható (így a megtalált számpárok nem íródnak ki fordítva is, mert teljesül, hogy i<j).

Az osztokOsszege1(n) függvény is minden lehetséges osztót figyelembe vesz 1-től n-1-ig.

2. megoldás

Kisebb módosításokkal a lépésszám csökkenthető. A baratsagosSzamparok2() eljárás külső ciklusánál figyelembe vettem, hogy a legkisebb barátságos számpár kisebb tagja nagyobb 200-nál. Mivel a barátságos számpárok tagjainak paritása mindig megegyezik (azaz mindkettő páros vagy mindkettő páratlan), így a belső ciklus j változója indítható i+2-ről és léptethető kettesével ( j+=2), és továbbra is teljesül, hogy i<j.

Az osztokOsszege2(n) függvényt is módosítottam. Mivel az 1 minden számnak osztója, illetve a 2 minden páros számnak osztója, így s lehet 3 vagy 1 és a ciklus indítható 3-ról. A páros számok esetén a számnál kisebb legnagyobb osztó maximum n/2 lehet, illetve ugyanez páratlan számok esetén n/3 lehet. Ezekre figyelve a max változó adja a ciklus léptetésének felső határát. Az i változó léptetésénél figyelembe vettem, hogy páratlan számnak csak páratlan osztói lehetnek ( i=3-mal szinkronban).

3. megoldás

Az eddigi két egymásba ágyazott ciklus helyett átszervezhető a baratsagosSzamparok3() eljárás. A j>i && osztokOsszege2(j)==i feltétel kiértékelése így sokkal hatékonyabb.

Vajon milyen nagyságrendű különbségek adódnak, ha összehasonlítjuk a három megoldás futási idejét?

Az 1. megoldás futási ideje 1104156 ms, a 2. megoldásé 257055 ms, a 3. megoldásé 121 ms. A konkrét értékek helyett a nagyságrendet megfigyelve a különbség nagyon látványos.

Mindhárom megoldás helyes és megkapjuk az intervallumban található öt barátságos számpárt: (220; 284), (1184; 1210), (2620; 2924), (5020; 5564), (6232; 6368).

A bejegyzéshez tartozó teljes – időméréssel kiegészített – forráskódot ILIAS e-learning tananyagban tesszük elérhetővé tanfolyamaink résztvevői számára.

Források:

A feladat a Java SE szoftverfejlesztő tanfolyam szakmai moduljának 9-12. óra: Metódusok, rekurzió alkalomhoz kötődik.