Data structures and algorithm assignment

Joe123
task_pdf.pdf

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

1   

Practical Task 5.1   (Pass Task) 

Submission deadline: 10:00am Monday, August 26  Discussion deadline: 10:00am Saturday, September 14 

General Instructions 

The objective of this task is to study implementation of a Doubly Linked List, a generic data structure capable  to maintain an arbitrary number of data elements and support various standard operations to read, write,  and delete data. Compared to other popular data structures, linked list like data structures offer a number  of advantages with respect to time complexity and practical application. For example, where an array‐based  data structure, such as a simple list (or a vector), requires a contiguous memory location to store data, a  linked list may record new data elements anywhere in the memory. This is achievable by encapsulation of a  payload (the user’s data record) into a node, then connecting nodes into a sequence via memory references  (also known as links). Because of this, a linked list is not restricted in size and new nodes can be added  increasing the size of the list to any extent. Furthermore, it is allowed to use the first free and available  memory location with only a single overhead step of storing the address of memory location in the previous  node of a linked list. This makes insertion and removal operations in a linked list of a constant  1  time;  that is, as fast as possible. Remember that these operations generally run in a linear  n  time in an array  since memory locations are consecutive and fixed.  

A doubly linked list outperforms a singly linked list achieving better runtime for deletion of a given data node  as it enables traversing the sequence of nodes in both directions, i.e. from starting to end and as well as from  end to starting. For a given a node, it is always possible to reach the previous node; this is what a singly linked  list does not permit. However, these benefits come at the cost of extra memory consumption since one  additional variable is required to implement a link to previous node. In the case of a simpler singly linked list,  just one link is used to refer to the next node. However, traversing is then possible in one direction only, from  the head of a linked list to its end. 

1. To start, follow the link below and explore the functionality of the LinkedList<T> generic class available  within the Microsoft .NET Framework.  

https://msdn.microsoft.com/en‐au/library/he2s3bh7(v=vs.110).aspx.  

Because  some  operations  that  you  are  asked  to  develop  in  this  task  are  similar  to  those  in  the  LinkedList<T>, you may refer to the existing description of the class to get more insights about how your  own code should work. 

2. Explore the source code attached to this task. Create a new Microsoft Visual Studio project and import  the DoublyLinkedList.cs file. This file contains a template of the DoublyLinkedList<T> class. The objective  of the task is to develop the missing functionality of the class to obtain a fully‐functional data structure.  Subsequently, import the Tester.cs file to the project to enable the prepared Main method important for  the purpose of debugging and testing the expected program class and its interfaces for runtime and logical  errors. 

3. Find the nested Node<K> class presented inside the DoublyLinkedList<T> and learn its structure. This is a  generic class whose purpose is to represent a node of a doubly linked list. Think about it as an atomic data  structure itself that serves the DoublyLinkedList<T> as a building block. In fact, a doubly linked list is a  linear collection of data elements, whose order is not given by their physical positions in memory, for  example  like  in arrays.  Instead, each  element points to  the next  (and the  previous) one.  It  is a data  structure consisting of a set of nodes which together represent a sequence. Generally, a node of a doubly  linked  list  consists  of  a  data  record  that  holds  a  payload  and  two  auxiliary  pointers  referring  to  the 

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

2   

preceding and succeeding nodes in the ordered sequence of nodes constituting the linked list. The two  pointers allow to navigate back and forth between two adjacent nodes.  

Note that the Node<K> class is ready for you to use. It provides the following functionality: 

 Node(K value, Node<K> previous, Node<K> next)  Initializes a new instance of the Node<K> class, containing the specified value and referring to previous and next  arguments as nodes before and after the new node, respectively, in the sequence of the associated doubly linked  list. 

 K Value  Property. Gets or sets the value (payload) of type K contained in the node. 

 Node<K> Next  Property. Gets a reference to the next node in the DoublyLinkedList<T>, or null if the current node is the last  element of the DoublyLinkedList<T>. 

 Node<K> Previous  Property. Gets a reference to the previous node in the DoublyLinkedList<T>, or null if the current node is the first  element of the DoublyLinkedList<T>. 

 string ToString()  Returns a string that represents the current Node<K>. ToString() is the major formatting method in the .NET  Framework. It converts an object to its string representation so that it is suitable for display. 

You may have already noticed that the Node<K> implements the INode<K> interface, which is available  in the attached INode.cs file. The reason for the use of the interface is that the Node<K> is a data structure  internal to the DoublyLinkedList<T> class, thus an instance of the Node<K> must not be exposed to the  user.  It must be hidden to protect an  instance of  the DoublyLinkedList<T> from potential corruption  caused by the user’s activities. However, because a user needs access to the data that the user owns and  stores inside an instance of the DoublyLinkedList<T>, the Node<K> implements the interfaces that permits  to read and set (write) the data. Check the INode<K> and see that the only property it implies is Value of  generic type K. 

4. Proceed with the given template of the DoublyLinkedList<T> class and explore the methods that it has  implemented for you for the purpose of example, in particular: 

 DoublyLinkedList()  Initializes a new instance of the DoublyLinkedList<T> class that is empty.  

 First   Property. Gets the first node of the DoublyLinkedList<T>. If the DoublyLinkedList<T> is empty, the First property  returns null. 

 Last  Property. Gets the last node of the DoublyLinkedList<T>. If the DoublyLinkedList<T> is empty, the Last property  returns null. 

 Count  Property. Gets the number of nodes actually contained in the DoublyLinkedList<T>. 

 INode<T> After(INode<T> node)  Returns the node casted to the INode<T> that succeeds the specified node in the DoublyLinkedList<T>. If the  node given as parameter is null, it throws the ArgumentNullException. If the parameter is not in the current  DoublyLinkedList<T>, the method throws the InvalidOperationException. 

 public INode<T> AddLast(T value)  Adds a new node containing the specified value at the end of the DoublyLinkedList<T>. Returns the new node  casted to the INode<T> with the recorded value. 

   

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

3   

 INode<T> Find(T value)  Finds the first occurrence in the DoublyLinkedList<T> that contains the specified value. The method returns the  node casted to INode<T>, if found; otherwise, null. The DoublyLinkedList<T> is searched forward starting at First  and ending at Last. 

 string ToString()  Returns a string that represents the current DoublyLinkedList<T>. ToString() is the major formatting method in  the .NET Framework. It converts an object to its string representation so that it is suitable for display. 

As part of the prepared DoublyLinkedList<T> class, you can also observe a number of private properties  and methods. An important aspect of the DoublyLinkedList<T> is the use of two auxiliary nodes: the Head  and the Tail. The both are introduced in order to significantly simplify the implementation of the class and  make insertion functionality reduced just to a single method designated here as   

Node<T> AddBetween(T value, Node<T> previous, Node<T> next) 

In fact, the Head and the Tail are invisible to a user of the data structure and are always maintained in it,  even when the DoublyLinkedList<T> is formally empty. When there is no element in it, the Head refers to  the Tail, and vice versa. Note that in this case the First and the Last properties are set to null. The first  added node therefore is to be placed in between the Head and the Tail so that the former points to the  new node as the Next node, while the latter points to it as the Previous node. Hence, from the perspective  of  the  internal  structure  of  the  DoublyLinkedList<T>,  the  First  element  is  the  next  to  the  Head,  and  similarly, the Last element is previous to the Tail. Remember about this crucial fact when you design and  code other functions of the DoublyLinkedList<T> in this task. 

The given template of the DoublyLinkedList <T> class should help you with development of its remaining  methods. Therefore, explore the existing code as other methods are to be similar in terms of logic and  implementation. 

5. You must complete the DoublyLinkedList<T> and provide the following functionality to the user: 

 INode<T> Before(INode<T> node)  Returns the node, casted to the INode<T>, which precedes the specified node in the DoublyLinkedList<T>. If the  node given as parameter is null, the method throws the ArgumentNullException. If the parameter is not in the  current DoublyLinkedList<T>, the method throws the InvalidOperationException. 

 INode<T> AddFirst(T value)   Adds a new node containing the specified value at the start of the DoublyLinkedList<T>. Returns the new node  casted to the INode<T> containing the value. 

 INode<T> AddBefore(INode<T> before, T value)  Adds a new node before the specified node of the DoublyLinkedList<T> and records the given value as its payload.  It returns the newly created node casted to the INode<T>. If the node specified as an argument is null, the  method  throws  the  ArgumentNullException.  If  the  node  specified  as  argument  does  not  exist  in  the  DoublyLinkedList<T>, the method throws the InvalidOperationException. 

 INode<T> AddAfter(INode<T> after, T value)  Adds a new node after the specified node of the DoublyLinkedList<T> and records the given value as its payload.  It returns the newly created node casted to the INode<T>. If the node specified as argument is null, the method  throws the ArgumentNullException. If the node specified as argument does not exist in the DoublyLinkedList<T>,  the method throws the InvalidOperationException. 

 void Clear()  Removes all nodes from the DoublyLinkedList<T>. Count is set to zero. For each of the nodes, links to the previous  and the next nodes must be nullified.  

 void Remove(INode<T> node)  Removes the specified node from the DoublyLinkedList<T>. If node is null, it throws the ArgumentNullException.  If  the  node  specified  as  argument  does  not  exist  in  the  DoublyLinkedList<T>,  the  method  throws  the  InvalidOperationException. 

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

4   

 void RemoveFirst()  Removes  the  node  at  the  start  of  the  DoublyLinkedList<T>.  If  the  DoublyLinkedList<T>  is  empty,  it  throws  InvalidOperationException. 

 void RemoveLast()  Removes  the  node  at  the  end  of  the  DoublyLinkedList<T>.  If  the  DoublyLinkedList<T>  is  empty,  it  throws  InvalidOperationException. 

Note that you are free in writing your code that is private to the DoublyLinkedList<T> unless you respect  all the requirements in terms of functionality and signatures of the specified methods.  

6. As you progress with the implementation of the DoublyLinkedList <T> class, you should start using the  Tester class to thoroughly test the DoublyLinkedList<T> aiming on the coverage of all potential logical  issues and runtime errors. This (testing) part of the task is as important as writing the DoublyLinkedList<T>  class. The given version of the testing class covers only some basic cases. Therefore, you should extend it  with extra cases to make sure that your doubly linked list class is checked against other potential mistakes. 

Further Notes 

 Learn the material of chapters 3.4 and especially that of section 7.3.3 of the SIT221 course book “Data  structures and algorithms in Java” (2014) by M. Goodrich, R. Tamassia, and M. Goldwasser. You may 

access the book on‐line for free from the reading list application in CloudDeakin available in Resources   Additional  Course  Resources    Resources  on  Algorithms  and  Data  Structures    Course  Book:  Data  structures and algorithms in Java. As a complementary material, to learn more about a singly linked and  doubly linked lists, you may refer to Chapter 2 of SIT221 Workbook available in CloudDeakin in Resources 

 Additional Course Resources  Resources on Algorithms and Data Structures  SIT221 Workbook.   If you still struggle with such OOP concepts as Generics and their application, you may wish to read 

Chapter 11 of SIT232 Workbook available in Resources  Additional Course Resources  Resources on  Object‐Oriented  Programming.  You  may  also  have  to  read  Chapter  6  of  SIT232  Workbook  about  Polymorphism  and  Interfaces  as  you  need  excellent  understanding  of  these  topics  to  progress  well  through the practical tasks of the unit. Make sure that you are proficient with them as they form a basis  to design and develop programming modules in this and all the subsequent tasks. You may find other  important  topics  required  to  complete  the  task,  like  exceptions  handling,  in  other  chapters  of  the  workbook.  

 We will test your code in Microsoft Visual Studio 2017. Find the instructions to install the community  version  of  Microsoft  Visual  Studio  2017  available  on  the  SIT221  unit  web‐page  in  CloudDeakin  at 

Resources  Additional Course Resources  Software  Visual Studio Community 2017. You are free to  use another IDE if you prefer that, e.g. Visual Studio Code. But we recommend you to take a chance to  learn this environment.  

Marking Process and Discussion 

To get your task completed, you must finish the following steps strictly on time. 

 Make sure that your program implements all the required functionality, is compliable, and has no runtime  errors. Programs causing compilation or runtime errors will not be accepted as a solution. You need to  test your program thoroughly before submission. Think about potential errors where your program might  fail. 

 Submit your program code as an answer to the task via OnTrack submission system.    Meet with your marking tutor to demonstrate and discuss your program in one of the dedicated practical 

sessions. Be on time with respect to the specified discussion deadline. 

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

5   

 Answer all additional (theoretical) questions that your tutor can ask you. Questions are likely to cover  lecture notes, so attending (or watching) lectures should help you with this compulsory interview part.  Please, come prepared so that the class time is used efficiently and fairly for all the students in it. You  should start your interview as soon as possible as if your answers are wrong, you may have to pass another  interview, still before the deadline. Use available attempts properly.  

Note that we will not check your solution after the submission deadline and will not discuss it after the  discussion deadline. If you fail one of the deadlines, you fail the task and this reduces the chance to pass the  unit.  Unless  extended  for  all  students,  the  deadlines  are  strict  to  guarantee  smooth  and  on‐time  work  through the unit. 

Remember that this is your responsibility to keep track of your progress in the unit that includes checking  which tasks have been marked as completed in the OnTrack system by your marking tutor, and which are still  to be finalised. When marking you at the end of the unit, we will solely rely on the records of the OnTrack  system and feedback provided by your tutor about your overall progress and quality of your solutions. 

Expected Printout 

This section displays the printout produced by the attached Tester class, specifically by its Main method. It is  based on our solution. The printout is provided here to help with testing your code for potential logical errors.  It demonstrates the correct logic rather than an expected printout in terms of text and alignment. 

Test A: Create a new list by calling 'DoublyLinkedList<int> vector = new DoublyLinkedList<int>( );'

:: SUCCESS: list's state []

Test B: Add a sequence of numbers 2, 6, 8, 5, 1, 8, 5, 3, 5 with list.AddLast( )

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-8},{1-(8)-5},{8-(5)-3},{5-(3)-5},{3-(5)-XXX}]

Test C: Remove sequentially 4 last numbers with list.RemoveLast( )

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

Test D: Add a sequence of numbers 10, 20, 30, 40, 50 with list.AddFirst( )

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(50)-40},{50-(40)-30},{40-(30)-20},{30-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8- (5)-1},{5-(1)-XXX}]

Test E: Remove sequentially 3 last numbers with list.RemoveFirst( )

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

Test F: Run a sequence of operations:

list.Find(40);

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

list.Find(0);

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

list.Find(2);

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

Test G: Run a sequence of operations:

Add 100 before the node with 2 with list.AddBefore(2,100)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-6},{2-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

SIT221 Data Structures and Algorithms     Trimester 2, 2019 

6   

Add 200 after the node with 2 with list.AddAfter(2,200)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)-6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)- 1},{5-(1)-XXX}]

Add 300 before node list.First with list.AddBefore(list.First,300)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(300)-20},{300-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)-6},{200-(6)- 8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

Add 400 after node list.First with list.AddAfter(list.First,400)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(300)-400},{300-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)- 6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-1},{5-(1)-XXX}]

Add 500 before node list.First with list.AddBefore(list.Last,500)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(300)-400},{300-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)- 6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5-(500)-1},{500-(1)-XXX}]

Add 600 after node list.First with list.AddAfter(list.Last,600)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(300)-400},{300-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)- 6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5-(500)-1},{500-(1)-600},{1-(600)-XXX}]

Test H: Run a sequence of operations:

Remove the node list.First with list.Remove(list.First)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)-6},{200-(6)- 8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5-(500)-1},{500-(1)-600},{1-(600)-XXX}]

Remove the node list.Last with list.Remove(list.Last)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-100},{10-(100)-2},{100-(2)-200},{2-(200)-6},{200-(6)- 8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5-(500)-1},{500-(1)-XXX}]

Remove the node list.Before, which is before the node containing element 2, with list.Remove(list.Before(...))

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-2},{10-(2)-200},{2-(200)-6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)- 500},{5-(500)-1},{500-(1)-XXX}]

Remove the node containing element 2 with list.Remove(...)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-200},{10-(200)-6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5- (500)-1},{500-(1)-XXX}]

Test I: Remove the node containing element 2, which has been recently deleted, with list.Remove(...)

:: SUCCESS: list's state [{XXX-(400)-20},{400-(20)-10},{20-(10)-200},{10-(200)-6},{200-(6)-8},{6-(8)-5},{8-(5)-500},{5- (500)-1},{500-(1)-XXX}]

Test J: Clear the content of the vector via calling vector.Clear();

:: SUCCESS: list's state []

Test K: Remove last element for the empty list with list.RemoveLast()

:: SUCCESS: list's state []

------------------- SUMMARY -------------------

Tests passed: ABCDEFGHIJK