1. Úvod do předmětu. BI-EP2 Efektivní programování Martin Kačer

Transkript

1 1. Úvod do předmětu BI-EP2 Efektivní programování 2 LS 2017/2018 Ing. Martin Kačer, Ph.D Martin Kačer Katedra teoretické informatiky Fakulta informačních technologií České vysoké učení technické v Praze Vznik předmětu byl podpořen FRVŠ v rámci projektu 2581/2011

2 První hodina obsah Předmět a jeho organizace Vyhodnocovací systém O řešení úloh Znáte už EP1? Mnoho věcí se dnes bude opakovat Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 2

3 O předmětu

4 Účel Praktické procvičení algoritmů aneb jak psát programy Rychle Přehledně Efektivně Bez chyb (pokud možno ) Předpokládáme znalosti z BI-AG1 (BI-AG2?) Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 4

5 Naše cíle Naučit se programovat odstraňovat chyby (ještě lépe: nedělat) přemýšlet!!! Do budoucna Zlepšit výsledky ČVUT (FIT) v soutěžích Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 5

6 ACM Contest International Collegiate Programming Contest (ICPC) Prestižní soutěž v programování Statisíce studentů 2736 univerzit 102 zemí ze 6 kontinentů Týmová Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 6

7 ACM ICPC x BI-EP2 Příklady ze soutěže Formát použitý v soutěži (ale nikoli v týmech) Cílem rozhodně není jen ICPC Algoritmy jsou obecné Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 7

8 Kontakty Martin Kačer Webové stránky pro předmět Další odkazy Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 8

9 Organizace

10 Forma Především řešení konkrétních úloh Rozsah 2+1 (oficiálně 2+2) Každý týden hodina od 9:15 Od 11:00 rezerva + konzultace Řešení úloh doma (to především!) => Primárně cvičení od 9:15 Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 10

11 Čtrnáctidenní cyklus První týden (pátek 9:15) Obecné postupy a algoritmy Zadání na další týden Druhý týden (pátek 9:15) Ukázka řešení problémů Diskuze nad variantami Konzultace v případě potřeby (11:00) Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 11

12 Řešení úloh první týden Samostatné řešení Zkoušíme, co kdo zvládne sám Nácvik bezchybného návrhu Co smíte? Hledat na internetu OBECNÉ věci a algoritmy Co nesmíte? Hledat konkrétně daný příklad Opisovat Radit se s kolegy (ani se mnou ) Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 12

13 Řešení úloh druhý týden Implementace podle řešení Dokončení úloh, které jste nezvládli (nestihli) Nácvik bezchybné implementace Co smíte? Hledat na internetu cokoli Radit se s kolegy či se zeptat vyučujícího Studovat prezentaci řešení, vstupy, výstupy Co nesmíte? Úplně to opsat Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 13

14 Hrajte fér! Samostatně Nepovinný výběrový předmět Poctivě, zejména v prvním týdnu Internet pro obecné hledání ANO Internet pro konkrétní řešení NE! Internet pro zjištění vstupů NE! Porušení pravidel = okamžitý konec! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 14

15 Hodnocení I 20 úloh 5 tematických cyklů x 4 úlohy v každém Body za vyřešení 5 bodů v prvním týdnu (max. 5x20 = 100) 3 body v druhém týdnu Body za počet úloh 1 bod za 2 a více úloh v daném cyklu (max. 5) -1 bod za 1 úlohu -2 body za 0 úloh Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 15

16 Hodnocení II Vlastní vyrobená úloha max. 15 bodů povinná podmínka zápočtu! 3 body subjektivní hodnocení úlohy 7 bodů faktická správnost 5 bodů vzájemné hodnocení Teoretické maximum: 120 bodů Standardní klasifikace A 90 b. B 80 b. C 70 b. atd. Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 16

17 Harmonogram (změna vyhrazena) #T Datum Náplň Úvod + vyhodnocovací systém, ladění chyb Mřížky & Vyplňování Řešení + konzultace Prohledávání grafů & Stavový prostor Řešení + konzultace Pokrytí & Nejkratší cesty & Kostry Řešení + konzultace >>> výuka odpadá <<< Toky v sítích & Párování Řešení + konzultace Řetězce & Geometrie Řešení + konzultace Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 17

18 Vyhodnocovací systém

19 Vyhodnocovací systém PCSS Vyvinut na ČVUT Použit v pražských kolech Webové rozhraní C/C++ Java Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 19

20 Obdržíte mailem PCSS hesla Platná celý semestr Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 20

21 PCSS zadání úloh PROBLEMS Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 21

22 PCSS odevzdání řešení Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 22

23 PCSS zjištění výsledku Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 23

24 PCSS možné odezvy Jen pro poslední pokus! compile error program nejde přeložit runtime error chyba za běhu time limit exceeded pomalé/cyklí se wrong answer špatná odpověď presentation error asi chyba formátu accepted úspěšně odevzdáno Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 24

25 PCSS výsledky ostatních Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 25

26 Shrnutí: C Funkce main musí vracet nulu Nepoužívat dvoulomítkové komentáře Každá funkce má svůj hlavičkový soubor Neposílat signály (i např. funkce abort, assert) Martin Kačer, BI-EP1 1. Práce s vyhodnocovacím systémem 26

27 Shrnutí: C++ Funkce main musí vracet nulu Každá funkce má svůj hlavičkový soubor Neposílat signály (např. funkce abort, assert) U dlouhých vstupů pozor na pomalost streamů Martin Kačer, BI-EP1 1. Práce s vyhodnocovacím systémem 27

28 Shrnutí: Java Název třídy musí přesně odpovídat úloze Default package Všechno uvnitř jedné třídy Případné dodatečné třídy jako vnitřní (!!) U dlouhých vstupů pozor na pomalost Scanneru Martin Kačer, BI-EP1 1. Práce s vyhodnocovacím systémem 28

29 Potíže s PCSS? Neposílejte řešení opakovaně Obvykle je to zbytečné Sbíráte trestné minuty Ozvěte se! (týká se technických problémů, nikoli potíží s řešením úloh v prvním týdnu) Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 29

30 Vstup a výstup v PCSS VŽDY pouze standardní stdin, stdout, scanf, printf System.in, System.out i kdyby zadání tvrdilo něco jiného! Otevírání souborů je zakázáno!! Spouštění z příkazové řádky./program < vstup.in > vystup.out Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 30

31 O řešení úloh

32 Jaké chceme řešení Správné Vždycky správné! Stabilní Efektivní Rychle hotové!!! V JEDNODUCHOSTI JE SÍLA!!! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 32

33 V čem spočívá jednoduchost Zbytečně nepsat Zbytečně nepočítat Co nejméně speciálních případů Ale na žádný nezapomenout! Přehlednost Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 33

34 Jednoduché = dobré Rychle napsané Přehledné Méně chyb Často efektivnější ale samozřejmě ne vždy => Preferujeme jednoduché Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 34

35 Přemýšlejme! První nápad nemusí být nejlepší První nápad nemusí být ani správný Proč to děláme zrovna tak? Kdy to (ne)bude fungovat? Výhoda automatického hodnocení Neřekne nám, proč je to špatně Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 35

36 Správnost algoritmu NELZE stoprocentně otestovat Nechceme zkoušet a DOUFAT Chceme VĚDĚT!!! Dokážete zdůvodnit volbu řešení? Umíte dokázat správnost? Bude to fungovat opravdu VŽDY? Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 36

37 Efektivita x velikost vstupu Předpokládáme cca miliardy operací Hranice samozřejmě není ostrá Složitost Omezení na data O(n) ~ O(n. log n) ~ O(n 2 ) ~ O(n 3 ) ~ O(n 4 ) ~ 200 O(2 n ) ~ 30 O(n!) ~ 10 Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 37

38 Typické postupy

39 Povaha úloh Textové zadání Přesně popsaný vstup a výstup Nutno dodržovat Automatické vyhodnocování Úkolem je program, který správně řeší jakoukoli instanci problému! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 39

40 Vícenásobné zadání Vstup s jediným příkladem V našich úlohách asi nebude Na začátku zadán počet příkladů Ukončení vstupu Konec souboru Speciální hodnota Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 40

41 Zpracování při známém počtu N Příklad 1 Příklad 2 Příklad N int n = readnumber(); for (int i = 0; i < n; ++i) { readoneproblem(); solveoneproblem(); printoneproblem(); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 41

42 Zpracování s detekcí konce A1 B1 A2 B2 0 0 for (;;) { int a = readnumber(), b = readnumber(); if (a == 0 && b == 0) break; solveoneproblem(a, b); printoneproblem(); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 42

43 Typické čtení v C/C++ Hodnoty oddělené mezerami - scanf Čísla Znaky Řetězce scanf( %d, &num); scanf( %d%d%d, &num1, &num2, &num3); scanf( %c%c, &char1, &char2); scanf( %s, string); /* proč tam není &string? */ /* proč se v normálních programech nepoužívá? */ Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 43

44 Čtení v C možné potíže Jaký je rozdíl v těchto zápisech? scanf( %d%d, &num1, &num2); scanf( %d %d, &num1, &num2); scanf( %d%d\n, &num1, &num2); scanf( %d%d, &num1, &num2); scanf( %c%c, &ch1, &ch2); scanf( %d%d, &num1, &num2); scanf( %i%i, &num1, &num2); Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 44

45 Čtení v C whitespace Přeskakování mezer Je-li zadána mezera Většina konverzí (kromě %c!!) 2 5 ABCDE FGHIJ 2 5 ABCDE FGHIJ scanf( %d%d, &num1, &num2); scanf( %c%c, &ch1, &ch2); ch1 ch2 newline! A scanf( %d%d\n, &num1, &num2); scanf( %c%c, &ch1, &ch2); ch1 ch2 A B Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 45

46 Čtení v C whitespace Přeskakování mezer Je-li zadána mezera Většina konverzí (kromě %c!!) 2 5 *** * * * 2 5 *** * * * scanf( %d%d, &num1, &num2); scanf( %c%c, &ch1, &ch2); ch1 ch2 newline mezera scanf( %d%d\n, &num1, &num2); scanf( %c%c, &ch1, &ch2); ch1 * ch2 * Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 46

47 Čtení v C whitespace Přeskakování mezer Je-li zadána mezera Většina konverzí (kromě %c!!) 3 7 scanf( %d%d, &num1, &num2); num1 3 num scanf( %c%c, &ch1, &ch2); ch1 3 ch2 mezera! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 47

48 Čtení v C formát čísel V desítkové soustavě vždy %d!! i když je to obvykle jedno 12:05 08:45 scanf( %d:%d, &num1, &num2); scanf( %d:%d, &num3, &num4); num1 12 num2 5 num3 8 num :45 scanf( %i:%i, &num3, &num4); num3 0 num4 nedefinováno! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 48

49 Typické čtení Java Použití třídy java.util.scanner Není příliš efektivní import java.util.scanner; Scanner in = new Scanner(System.in); int count = in.nextint(); in.nextline(); double d = in.nextdouble(); Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 49

50 Alternativní čtení Java O něco málo složitější, ale rychlejší StringTokenizer st = new StringTokenizer(""); BufferedReader input = new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in)); String nexttoken() throws Exception { while (!st.hasmoretokens()) st = new StringTokenizer(input.readLine()); return st.nexttoken(); } int nextint() throws Exception { return Integer.parseInt(nextToken()); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 50

51 Čtení po řádcích C/C++ gets / fgets / getchar Uloží i newline!! Pozor na kombinaci se scanf! 2 ABCDE FGHIJ 2 ABCDE FGHIJ scanf( %d\n, &num); fgets(string, length, stdin); num 2 string ABCDE scanf( %d, &num); fgets(string, length, stdin); num 2 string prázdný! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 51

52 Čtení po řádcích Java Pro změnu asi o něco jednodušší BufferedReader StringTokenizer st = new StringTokenizer(""); BufferedReader input = new BufferedReader( new InputStreamReader(System.in)); String nextline() throws Exception { return input.readline(); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 52

53 Formátování výstupu

54 Desetinná čísla Daný počet desetinných míst Zaokrouhlování Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 54

55 printf Reálná čísla C/C++ printf( %f, pi); printf( %.2f, pi); 3.14 printf( %0.3f, pi); printf( %.3f, 0.25); printf( %8.3f, 0.25); printf( %08.3f, 0.25); Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 55

56 Reálná čísla Java java.text.* MessageFormat, NumberFormat, DecimalFormat out.println(new DecimalFormat("0").format(pi)); println(pi); DecimalFormat( 0 ); 3 DecimalFormat( ); DecimalFormat( ); DecimalFormat( ###.### ); DecimalFormat( ); DecimalFormat( #.### ); Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 56

57 Složitější formátování Požadavky na přesné rozmístění mezery, ASCII-art apod. $ $$$$$ ############ $$ $ $$ # B # $$ $ # ### # # $$$$$ # #X #--# c = a + b $ $$ # ###### # $$ $ $$ # A # 00# $$$$$ ############ $ Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 57

58 Složitější formátování Požadavky na přesné rozmístění Většinou se vyplatí zapisovat do pole char map[20][61]; for (r = 0; r < 20; ++r) { for (c = 0; c < 60; ++c) map[r][c] = ; map[r][60] = \0 ; } while(...) map[i][j] = - ; map[i+1][j] = ; C / C++ Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 58

59 Složitější formátování Požadavky na přesné rozmístění Pole pak vypíšeme celé najednou char map[20][60];... for (r = 0; r < 20; ++r) printf( %s\n, map[r]); C / C++ char ch[][] = new char[20][30];... for (int i = 0; i < 20; ++i) System.out.println(ch[i]); Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 59

60 Reálná aritmetika

61 Reálná čísla Reprezentace: mantisa + exponent => rozlišuje jen určitý počet platných číslic OK 0, OK ale při součtu se přesnost ztratí! Desetinná čísla jsou navíc nepřesná sama o sobě: 0,125 desítkově 0,001 binárně 0,2 desítkově 0, binárně Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 61

62 Porovnávání reálných čísel Co vypíše následující kód? double x; for (x = 0.0; x!= 1.0; x += 0.1) { printf("%f\n", x); } double x; for (x = 0.0; x < 1.0; x += 0.02) { printf("%f\n", x); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 62

63 Porovnávání reálných čísel PAMATUJTE: Desetinná čísla jsou nepřesná!!! double x; for (x = 0.0; x < 1.0; x += 0.1) { printf("%f\n", x); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 63

64 Porovnávání reálných čísel PAMATUJTE: Desetinná čísla jsou nepřesná!!! double x; for (x = 0.0; x <= 1.0; x += 0.02) { printf("%f\n", x); } Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 64

65 Reálná čísla příklad Zjistěte, zda je bod [X,Y] uvnitř kruhu o poloměru R if (sqrt(x*x + y*y) <= r) Odmocnina je zbytečně pomalá a nepřesná if (x*x + y*y <= r*r) Lepší Funguje i pro celá čísla ale vlastně JEN pro celá čísla Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 65

66 Reálná čísla příklad if (x*x + y*y <= r*r) Nevhodné kvůli nepřesnostem reálných čísel Bod ležící na kružnici testem projít může a nemusí static final EPS = 1E-8; if (x*x + y*y < r*r + EPS) /* včetně kružnice */ if (x*x + y*y < r*r - EPS) /* vyjma kružnice */ Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 66

67 Magické epsilon Vždy používejte pro porovnávání! Pokud existuje rozdíl mezi < a <= Na úplnou rovnost if ( abs(a-b) < EPS ) Jak epsilon vybrat? Dostatečně velké, aby pomohlo Dostatečně malé, aby nevadilo o několik řádů menší než hodnoty Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 67

68 O chybách a tak

69 Typy chyb v úlohách Špatný algoritmus Neměl by se nám vůbec stávat (ale ) Chybná implementace Tady asi pomůže jen praxe (příp. review) Chyták Čtěte pořádně zadání a přemýšlejte! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 69

70 Co dělat, když to nefunguje? Nesnažte se vzít větší kladivo Raději přemýšlejte! X Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 70

71 Runtime Error Kde k němu může dojít? Přístup do paměti Dělení Jiné výjimky (Java) Indexy a rozměry polí Dynamická alokace paměti Snažte se najít vstup, kde to spadne Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 71

72 Time Limit Exceeded Zkontrolujte čtení vstupu! Případná další nekonečná smyčka? Je váš algoritmus skutečně efektivní? Speciální případy: prázdný, největší Snažte se najít vstup, pro který je to podezřele pomalé Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 72

73 Wrong Answer Speciální případy prázdný jeden prvek Zkontrolujte znovu zadání Je váš algoritmus skutečně správný? Snažte se najít vstup, pro který to nefunguje (tady je to ale těžké) Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 73

74 Presentation Error Zkontrolujte texty Nevypisujete něco navíc? Ladící výstupy Formátování čísel (zejména reálných) Může znamenat i špatnou odpověď Případně mne kontaktujte Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 74

75 Stále nic? Přemýšlejte! Přečtete si znovu zadání, včetně detailů Ukažte to někomu jinému (pokud to jde) Napište to celé od začátku Nechte to být Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 75

76 To je pro dnešek vše Témata úloh pro další týden: Vybrané úlohy z EP1 Nepočítají se (přímo) do hodnocení ale zkuste si to! Martin Kačer, BI-EP2 1. Úvod do předmětu 76