THUẬT TOÁN sắp xếp QUICK SORT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NIÊN LUẬN CƠ SỞ NGÀNH KTPM ỨNG DỤNG LẬP TRÌNH SONG SONG ĐỂ CÀI ĐẶT THUẬT TỐN SẮP XẾP QUICK SORT Cán hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS Nguyễn Cơng Danh Họ tên: Châu Hồng Huy MSSV: B1704811 Lớp: HỌC KỲ 1, 2020 - 2021 DI1796A2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN NIÊN LUẬN CƠ SỞ NGÀNH KTPM (Học kỳ 1, Năm học 2020-2021) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: STT HỌ VÀ TÊN Nguyễn Công Danh SINH VIÊN THỰC HIỆN: STT HỌ VÀ TÊN Châu Hoàng Huy MSSV B1704811 MSCB THƯỞNG (Tối đa 1,0 điểm) ĐIỂM I HÌNH THỨC (Tối đa 0,5 điểm) Bìa (tối đa 0,25 điểm)  Các tiêu đề: Trường ĐHCT, Khoa CNTT  Loại niên luận: Cơ sở ngành KTPM, Tên đề tài  Giáo viên hướng dẫn: chức danh, họ tên  Thông tin sinh viên thực hiện: họ tên, mã số, lớp  Năm thực Bố cục (tối đa 0.25 điểm)  Nhận xét giáo viên hướng dẫn giáo viên chấm  Mục lục: cấu trúc chương, mục tiểu mục  Phụ lục (nếu có)  Tài liệu tham khảo II NỘI DUNG (Tối đa 3,5 điểm) Tổng quan (tối đa 0,5 điểm)  Mơ tả tốn, mục tiêu cần đạt (0,25 điểm)  Hướng giải kế hoạch thực (0,25 điểm) Lý thuyết (tối đa 0,5 điểm)  Các khái niệm sử dụng đề tài  Kết vận dụng lý thuyết vào đề tài Ứng dụng (tối đa 2,0 điểm)  Phân tích yêu cầu toán, xây dựng cấu trúc liệu cần thiết (tối đa 0,5 điểm)  Giải thuật (Lưu đồ-Ngôn ngữ giả) (1,0 điểm)  Giới thiệu chương trình (0,5 điểm) Kết luận (tối đa 0,5 điểm)  Nhận xét kết đạt  Hạn chế  Hướng phát triển III CHƯƠNG TRÌNH DEMO (Tối đa 5,0 điểm) Giao diện thân thiện với người dùng (1.0 điểm) Hướng dẫn sử dụng (0,5 điểm) Kết thực với kết phần ứng dụng (3,5 điểm) Ghi chú: Điểm khung “các sinh viên thực hiện” điểm kết cuối sinh viên trình thực niên luận Nếu sinh viên demo chương trình trả lời vấn đáp khơng đạt u cầu giáo viên hướng dẫn sinh viên nhận điểm F cho học phần Cần Thơ, ngày tháng năm 2020 GIÁO VIÊN CHẤM MỤC LỤC NIÊN LUẬN CƠ SỞ NGÀNH KTPM NIÊN LUẬN CƠ SỞ NGÀNH KTPM .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN .1 I.MƠ TẢ BÀI TỐN II.MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƯỢC .1 III.HƯỚNG GIẢI QUYẾT IV.KẾ HOẠCH THỰC HIỆN .2 CHƯƠNG LÝ THUYẾT I.CÁC KHÁI NIỆM 2.1 Khái niệm xếp thuật toán xếp 2.2 Khái niệm thuật toán xếp Quick Sort 2.3 Khái niệm luồng song song II.KẾT QUẢ VẬN DỤNG LÝ THUYẾT VÀO ĐỀ TÀI CHƯƠNG KẾT QUẢ ỨNG DỤNG .5 I.PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN .5 II.XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÚC DỮ LIỆU CẦN THIẾT 3.2.1Hàm nhập liệu từ tệp tin .7 3.2.2Hàm tạo ngẫu nhiên số 3.2.3Hàm kiểm tra mảng xếp thứ tự hay chưa .8 3.2.4Thuật toán QuickSort luồng .9 3.2.5Hàm khởi tạo xếp QuickSort luồng biểu diễn 10 3.2.6Thuật toán QuickSort song song 11 3.2.7Hàm khởi tạo xếp QuickSort song song biểu diễn 12 3.2.8Hàm biểu diễn đồ họa 13 3.2.9Hàm chuyển từ số sang chuỗi (để hiển thị form) .14 3.2.10Hàm đọc chuyển liệu từ chuỗi sang số .15 3.2.11Hàm hiển thị thông báo lỗi 15 3.2.12Hàm đổi vị trí hai phần tử highlight phần tử 16 3.2.13Hàm lưu dạng ảnh (Sau tạo từ vị trí phần tử) 16 3.2.14Hàm làm control (Picturebox thay đổi ảnh lần đổi vị trí phần tử) 17 3.2.15Hàm kiểm tra ảnh thay đổi ảnh (tắt bật highlight phần tử) 17 III.THIẾT KẾ GIẢI THUẬT (LƯU ĐỒ) 18 3.3.1Lưu đồ 18 3.3.2Sơ đồ Usecase 19 3.3.3Mơ hình kiến trúc 20 IV.GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH 21 3.4.1Giao diện .21 3.4.2Khu vực Menu (Main) gồm: 21 3.4.3Khu vực hiển thị liệu 25 3.4.4Khu vực Footer 25 CHƯƠNG KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ 26 I.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 26 4.1.1Về mặt chuyên môn .26 4.1.2Về mặt kinh nghiệm 26 II.HẠN CHẾ VÀ NGUYÊN NHÂN .26 III.HƯỚNG PHÁT TRIỂN .27 PHỤ LỤC 28 CHƯƠNG HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM 28 CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 MỤC LỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN I MƠ TẢ BÀI TỐN Hiện nay, hầu hết hệ thống lưu trữ, quản lý liệu, thao tác tìm kiếm thường thực nhiều để khai thác thơng tin cách nhanh chóng (ví dụ như: tra cứu từ điển, tìm sản phẩm kho, ) Tuy nhiên, việc tìm kiếm diễn nhanh chóng, xác liệu cần xếp sẵn gọn gàng, ngăn nắp theo trật tự định Khi đó, việc tìm kiếm, truy xuất liệu trở nên dễ dàng Điều có ý nghĩa lớn việc quản lý lưu trữ liệu Tuy biết cần liệu xếp ngăn nắp dễ dàng sử dụng, thực tế, gặp phải rắc rối lớn giới cho đời nhiều cách xếp khác nhau, mà cách xếp lại có ưu, nhược điểm riêng Thế chọn thuật tốn phù hợp nhanh với nhu cầu người sử dụng? Thuật toán Quick Sort thuật tốn xếp nhanh nhất, ứng dụng lập trình song song vào thuật tốn giúp hiệu cao cải thiện tốc độ xếp lớn hơn, giúp khai thác liệu nhanh Vì vậy, đề tài: “Ứng dụng lập trình song song để cài đặt thuật toán xếp Quick Sort” hướng nghiên cứu tốt để chọn làm đề tài niên luận sở II III MỤC TIÊU CẦN ĐẠT ĐƯỢC - Nắm vững kiến thức cấu trúc liệu, phân tích thiết kế thuật toán thuật toán Quick Sort - Ứng dụng song song vào thuật toán Quicksort - Thể thời gian sau xếp xong - Học cách sử dụng Thread, Parallel cách tạo chuyển động form - Biểu diễn thuật toán Quick Sort luồng Quick Sort song song HƯỚNG GIẢI QUYẾT Đầu tiên, cần phải tìm hiểu thật kỹ cách hoạt động thuật tốn Quick Sort học mơn trước Nắm vững cách hoạt động thuật tốn đưa giải pháp để áp dụng lập trình song song vào thuật toán Áp dụng Parallel (song song) Net Framework vào thuật toán để chạy song song thuật toán Quick Sort Xây dựng hàm để biễu diễn số mảng thể vị trí xếp, vị trí thay đổi cho hình ảnh Cho phép người dùng lựa chọn thuật toán Quick Sort luồng Quick Sort song song Phần biểu diễn đồ họa cách hoạt động thuật toán cho phép chọn xem biểu diễn đồ họa không, cho phép chọn tốc độ chậm tốc độ mặc định thuật toán Nhập liệu gồm hai phần, tự động tạo số ngẫu nhiên phần mềm người dùng nhập danh sách số tệp tin text vào phần mềm Dữ liệu kết hiển thị form để xem, có nút kiểm tra kết có xếp thứ tự hay khơng IV KẾ HOẠCH THỰC HIỆN Tuần Công việc Tuần – Tuần Tìm hiểu cách hoạt động thuật toán Quick Sort Tuần – Tuần Cài đặt thuật toán thử nghiệm chạy song song Quick Sort Tuần – Tuần Thiết kế giao diện code chức hỗ trợ nhập liệu Tuần – Tuần Code chức biểu diễn số xếp đồ họa Tuần – Tuần 10 Đánh giá sửa đổi giao diện cho thân thiện với người dùng Tuần 11 – Tuần 12 Kiểm thử tạo tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Tuần 12 – Tuần 14 Đóng gói phần mềm báo cáo CHƯƠNG LÝ THUYẾT I CÁC KHÁI NIỆM 2.1 Khái niệm xếp thuật toán xếp Sắp xếp q trình bố trí lại phần tử tập hợp theo trình tự nhằm mục đích giúp quản lý tìm kiếm phần tử dễ dàng nhanh chóng Thuật toán xếp thuật toán xếp phần tử danh sách (hoặc mảng) theo thứ tự (tăng giảm) Và để dễ dàng cho việc nghiên cứu học tập người ta thường gán phần tử xếp chữ số 2.2 Khái niệm thuật toán xếp Quick Sort Thuật toán xếp Quick Sort thuật tốn chia để trị (Divide and Conquer algorithm) Nó chọn phần tử mảng làm điểm đánh dấu (pivot) Thuật toán thực chia mảng thành mảng dựa vào pivot chọn Việc lựa chọn pivot ảnh hưởng nhiều tới tốc độ xếp Nhưng máy tính lại khơng thể biết nên chọn theo cách Dưới số cách để chọn pivot thường sử dụng: - Luôn chọn phần tử mảng (Được sử dụng nghiên cứu này) - Luôn chọn phần tử cuối mảng - Chọn phần tử ngẫu nhiên - Chọn phần tử có giá trị nằm mảng 2.3 Khái niệm luồng song song Một luồng (thread) định nghĩa đường thực thi (execution path) chương trình Mỗi luồng định nghĩa dịng điều khiển Đa luồng (multi-thread) hiểu kỹ thuật để lúc xử lý nhiều tác vụ Song song (Parallel) chế xử lý song song C#, hỗ trợ nhiều chạy song song, khác với đa luồng (multi-thread) việc đồng liệu, quản lí luồng, vấn đề deadlock,… (Trong nghiên cứu sử dụng Parallel) II KẾT QUẢ VẬN DỤNG LÝ THUYẾT VÀO ĐỀ TÀI Áp dụng thuật toán xếp Quick Sort kết hợp sử dụng Parallel để xếp song song, xây dựng hàm để biểu diễn phần tử xếp, giúp người dùng xem thay đổi vị trí phần tử, xây dựng hàm kiểm tra thứ tự sau xếp để đảm bảo thứ tự xếp CHƯƠNG KẾT QUẢ ỨNG DỤNG I PHÂN TÍCH U CẦU BÀI TỐN Phần mềm “Ứng dụng lập trình song song vào thuật toán Quick Sort” đặt yêu cầu chủ yếu trọng tâm ứng dụng song song vào QuickSort minh họa trực quan giao diện đồ họa, biển diễn thay đổi phần tử xếp Dữ liệu đầu vào phần mềm mảng số có giá trị ngẫu nhiên, nhập vào tệp tin txt chọn tự động tạo ngẫu nhiên số phần mềm Nhập tệp tin txt: Với cách người dùng chuẩn bị sẵn tệp tin txt chứa số ngẫu nhiên, dòng số Với cách người dùng tiết kiệm nhiều thao tác chuột hơn, dễ dàng nhập số vào nhập vào phần mềm cách nhanh chóng Để thực được, ta cần thiết kế hàm ImportFileData() Hàm đọc liệu từ tệp tin ghi vào mảng Tạo ngẫu nhiên: Ở cách người dùng cần nhập vào độ dài mảng, phần mềm ngẫu nhiên số từ “số nhập vào”, ta có độ dài số nhập vào số ngẫu nhiên nằm khoảng đến “số nhập vào” Để thực chức này, ta cần thiết kế hàm có tên AutoGenerateNumber() Hàm có tác dụng tạo danh sách số ngẫu nhiên dựa vào số người dùng nhập vào Phần mềm cho phép người dùng lựa chọn thuật tốn Quick Sort để xếp, có hai lựa chọn Quick Sort luồng Quick Sort song song Giữa thuật tốn có tốc độ xếp khác xếp song song phần quan trọng chủ đề Người dùng chọn hiển thị biểu diễn đồ họa không, ngồi cịn bật chế độ xếp chậm để xem trình thay đổi phần tử, thuật tốn chạy nhanh nên cần có lựa chọn tốc độ chậm để xem thuật toán chạy Dữ liệu đầu hiển thị TextBox người dùng xem kiểm tra, ngồi phần mềm hỗ trợ hàm kiểm tra thứ tự để người dùng kiểm tra độ xác dãy số sau xếp Thời gian xếp hiển thị phía form sau xếp hồn thành để người dùng so sánh tốc độ xếp Quick Sort luồng Quick Sort song song Đối với liệu nhỏ, tốc độ xếp phụ thuộc vào vị trí pivot (do chọn mặc định phần tử cuối mảng) nên kết thua hai thuật toán, mặt chung xếp liệu lên đến vài triệu phần tử khác biệt luồng song song thể rõ rệt 3.3.3 Mơ hình kiến trúc Hình 20 Mơ hình kiến trúc 20 IV GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH 3.4.1 Giao diện Hình 21 Giao diện Giao diện chia thành khu vực: 3.4.2 - Menu chức - Hiển thị liệu biểu diễn đồ họa - Hiển thị chức thực thời gian hồn thành Khu vực Menu (Main) gồm: Hình 22 Khu vực Menu 21 - Nhập liệu: Hình 23 Nhập liệu a Nhập liệu từ file: file text chứa dòng số nguyên b Tự động tạo ngẫu nhiên: nhập độ dài, phần mềm tạo mảng có độ dài nhập phần tử số từ số cao với độ dài Hình 24 Tạo danh sách ngẫu nhiên - Thuật toán xếp, đồ họa tốc độ: a Sắp xếp Quicksort song song: sử dụng thuật tốn Quicksort song song (chỉ chọn thuật toán thực xếp) b Sắp xếp quick sort luồng: sử dụng thuật toán Quicksort luồng (chỉ chọn thuật tốn thực xếp) c Đồ họa: Bật lên để xem biểu diễn thuật tốn xếp Hình 25 Đang xếp 22 Hình 26 Sau xếp xong d Tốc độ xếp: Do thơng thường thuật tốn xếp nhanh nên bật chức để xem thuật tốn xếp với tốc độ chậm để theo dõi - Các nút chức năng: Hình 27 Các nút chức chức a Bắt đầu xếp: Thực xếp b Kiểm tra liệu xếp: Kiểm tra liệu Textbox kết có thứ tự hay chưa thơng báo hình Hình 28 Thơng báo thứ tự c Giới thiệu: giới thiệu thông tin phần mềm: trường, khoa, đồ án, học kỳ, cán hướng dẫn sinh viên thực phần mềm 23 Hình 29 Giao diện thông tin d Hướng dẫn: hướng dẫn chi tiết cách sử dụng phần mềm, bao gồm bước cách để chạy phần mềm Hình 30 Giao diện hướng dẫn 24 3.4.3 Khu vực hiển thị liệu Hình 31 Khu vực hiển thị liệu - Hiển thị: a Dữ liệu: Ở Textbox chứa phần tử chưa xếp b Kết sau xếp: Textbox chứa phần tử sau xếp xong c Biểu diễn thuật toán đồ họa: Hiển thị đồ họa vị trí bị thay đổi kết vị trí phần tử sau xếp xong 3.4.4 Khu vực Footer Hình 32 Khu vực Footer (Phần bên góc trái) - Hiển thị trạng thái phần mềm: a Đang chờ thực hiện: chờ thực xếp b Đang xếp: Hiển thị thuật toán xếp cho biết trình xếp thực c Sắp xếp xong, chờ hiển thị kết quả: Sau xếp xong phần mềm chuyển liệu từ dạng số sang chuỗi để hiển thị lên Textbox d Hoàn thành thời gian xếp: Báo trạng thái xếp hoàn thành, hiển thị thời gian xếp 25 CHƯƠNG KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ I KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1.1 Về mặt chuyên môn - Nắm vững kiến thức cấu trúc liệu giải thuật - Hồn tất phần mềm “Ứng dụng lập trình song song để cài đặt thuật toán xếp Quicksort” với yêu cầu đề là: có giao diện đồ hoạ mô lại thao tác xử lý theo dịng code thuật tốn chức từ giao diện - Học cách sử dụng Thread Parallel, tạo chuyển động form, thiết kế form, chèn icon vào nút để sinh động - Học cách sử dụng thư viện, cách tạo mơ phần mềm - Đóng gói phần mềm 4.1.2 II Về mặt kinh nghiệm - Biết cách sử dụng Thread Parallel để ứng dụng vào phần mềm, học cách tạo form button có icon sinh động - Biết cách xử lý đọc liệu chuyển đổi liệu - Biết cách ứng dụng mơ hình hướng đối tượng vào lập trình c# - Biết cách viết tài liệu theo mẫu chuẩn - Biết đánh giá giao diện phù hợp với thực tế HẠN CHẾ VÀ NGUYÊN NHÂN Hạn chế Nguyên nhân Số lượng phần từ hạn chế, Độ lớn form có giới hạn, chưa nắm rõ cách tối đa 200 phần tử tạo form động để liệu hiển thị lớn Tốc độ hiển thị kết form Do liệu lớn nên tốc độ hiển thị form chậm liệu lớn chậm Gặp nhiều khó khăn xử lý Kiến thức Thread chưa nhiều Thread Biểu diễn xếp phần tử thỉnh Kiến thức biểu diễn đồ họa chưa nhiều, thoảng lỗi bị phần tử xếp nhanh làm ảnh hưởng Cịn chức năng, cần cải tiến thêm Vấn đề kiến thức thời gian tìm hiểu chưa chức form động chuyên sâu 26 III HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Làm form động hiển thị biểu diễn nhiều - Thêm nhiều phần tử xếp - Thêm nhiều hiệu ứng chuyển động khác - Thêm xếp từ lớn đến nhỏ - Xử lí dự liệu form nhanh - Phát triển ứng dụng web di động 27 PHỤ LỤC CHƯƠNG HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM Bước Nhập liệu (có cách): 1) Nhập liệu thủ cơng: Hình 33 Nhập liệu thủ công 2) Nhập liệu tệp: + Đầu tiên, bấm nút ”Nhập liệu từ file” Hình 34 Nhập liệu tệp 28 + Tiếp theo, sau hộp thoại mở lên chọn file bấm open Hình 35 Chọn tệp nhập liệu + Sau bấm open, liệu tệp data.txt nhập vào phần mềm Hình 36 Dữ liệu hiển thị 3) Tự động tạo ngẫu nhiên: + Đầu tiên, bấm nút ”Tự động tạo ngẫu nhiên” 29 Hình 37 Tự động tạo ngẫu nhiên + Sau xuất input yêu cầu nhập số lượng phần từ, nhập vào số lượng phần tử muốn tạo, sau bấm “OK” Hình 38 Nhập số phần tử + Sau bấm OK, dãy số ngẫu nhiên hiển thị Textbox “Dữ liệu” 30 Hình 39 Hiển thị liệu sau tạo ngẫu nhiên Bước Chọn thuật toán, đồ họa tốc độ: + Tại phần thuật toán chọn Quicksort song song (Có thể chọn thuật toán) + Tại phần đồ họa: chọn bật (Biểu diễn thuật toán dạng độ họa) + Tại phần Tốc độ chậm: chọn bật (Tốc độ xếp chậm để theo dõi) (Có thể tùy chỉnh bật tắt đồ họa tốc độ chậm) Hình 40 Hướng dẫn chọn thuật toán chức Bước Bắt đầu xếp: + Bấm nút “Bắt đầu xếp” 31 Hình 41 Bắt đầu xếp Bước Xem kiểm tra kết xếp + Kết sau xếp xong + Dữ liệu sau xếp hiển thị phần “Kết quả” + Phần biểu diễn hiển thị giá trị phần từ thứ tự xếp Hình 42 Thanh footer báo trạng thái + Tiếp theo bấm “Kiểm tra xếp” để kiểm tra kết xếp có thứ tự hay khơng 32 Hình 43 Hiển thị thơng báo thứ tự 33 CHƯƠNG 2: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Aho A.V Hopcroft J.E and Ullman J.D Data Structures and Algorithms Pages: 200-345 Addison-Wesley London, 1983 [2] Nguyễn Văn Linh Giáo trình Phân tích & thiết kế thuật toán Chương Trang: 1-45 Nhà xuất Đại học Cần Thơ Cần Thơ, 2009 [3] Devexpress XtraForm https://docs.devexpress.com/WindowsForms/114560/controls-andlibraries/forms-and-user-controls/xtraform [4] Wieslawsoltes C# Parallel Sort https://gist.github.com/wieslawsoltes/6592526 [5] Jiwei Xu Optimising Quicksort in C# http://www.jiweix.com/parallel-quicksortin-c/ [6] Mark Monnin Visualization and comparison of sorting algorithms in C# https://www.codeproject.com/Articles/1087568/Visualization-and-Comparison-ofsorting-algorith [7] Create and share beautiful images of your source code https://carbon.now.sh/ [8] Ngoài tham khảo số tài liệu google diễn đàn stackoverflow.com 34 ... nhiên - Thuật toán xếp, đồ họa tốc độ: a Sắp xếp Quicksort song song: sử dụng thuật tốn Quicksort song song (chỉ chọn thuật toán thực xếp) b Sắp xếp quick sort luồng: sử dụng thuật toán Quicksort... phần tử xếp chữ số 2.2 Khái niệm thuật toán xếp Quick Sort Thuật toán xếp Quick Sort thuật tốn chia để trị (Divide and Conquer algorithm) Nó chọn phần tử mảng làm điểm đánh dấu (pivot) Thuật toán. .. chưa .8 3.2. 4Thuật toán QuickSort luồng .9 3.2.5Hàm khởi tạo xếp QuickSort luồng biểu diễn 10 3.2. 6Thuật toán QuickSort song song 11 3.2.7Hàm khởi tạo xếp QuickSort song song