Эффективность по памяти

persistent_data_structures/base_persistent.py

@@ -1,44 +1,81 @@
 from copy import deepcopy
+from typing import Optional, Any
+
+
+class NodeState:
+    """Класс, представляющий состояние узла."""
+    def __init__(self, data: Optional['NodeState'] = None):
+        self.data = data
+        self.next_node: Optional['NodeState'] = None
+
+
+class Node:
+    """Класс узла для хранения состояния в B-дереве."""
+    def __init__(self, state: NodeState | None) -> None:
+        """
+        Инициализирует узел с заданным состоянием.
+
+        :param state: Состояние узла.
+        """
+        self.state: NodeState | None = state
+        self.children: dict[int, Node] = {}
 
 
 class BasePersistent:
-    """Базовый класс для персистентных стркутур данных.
-
-    Каждая персистентная структура будет хранить в себе историю изменений в виде словаря с ключами
-    версиями и значениями - состояниями. Также персистентная структура будет хранить номер ткущей
-    и номер последней версии.
-    """
-    def __init__(self, initial_state=None) -> None:
-        """Инициализирует персистентную структуру данных.
+    """Базовый класс для персистентных структур данных с использованием B-дерева."""
+
+    def __init__(self, initial_state: Optional[NodeState] = None) -> None:
+        """
+        Инициализирует персистентную структуру данных.
+
         :param initial_state: Начальное состояние персистентной структуры данных.
         """
-        self._history = {0: initial_state}
-        self._current_state = 0
-        self._last_state = 0
+        self.root: Node = Node(initial_state)
+        self._current_version: int = 0
+        self._last_version: int = 0
+        self._version_map: dict[int, Node] = {0: self.root}
 
-    def get_version(self, version):
-        """Возвращает состояние персистентной структуры данных на указанной версии.
+    def get_version(self, version: int) -> dict[Any, Any]:
+        """
+        Возвращает состояние персистентной структуры данных на указанной версии.
 
         :param version: Номер версии.
         :return: Состояние персистентной структуры данных на указанной версии.
         :raises ValueError: Если указанная версия не существует.
         """
-        if version < 0 or version >= len(self._history):
+        if version not in self._version_map:
             raise ValueError(f'Version "{version}" does not exist')
-        return self._history[version]
+        return self._version_map[version].state
 
-    def update_version(self, version):
-        """Обновляет текущую версию персистентной структуры данных до указанной.
+    def set_version(self, version: int) -> None:
+        """
+        Обновляет текущую версию персистентной структуры данных до указанной.
 
         :param version: Номер версии.
         :raises ValueError: Если указанная версия не существует.
         """
-        if version < 0 or version >= len(self._history):
+        if version not in self._version_map:
             raise ValueError(f'Version "{version}" does not exist')
-        self._current_state = version
+        self._current_version = version
+        self.root = self._version_map[version]
 
     def _create_new_state(self) -> None:
-        """Создает новую версию."""
-        self._last_state += 1
-        self._history[self._last_state] = deepcopy(self._history[self._current_state])
-        self._current_state = self._last_state
+        """
+        Создает новую версию персистентной структуры данных с
+        минимальным дублированием данных.
+
+        Этот метод копирует текущее состояние структуры данных и создает
+        новую версию, добавляя ее в карту версий.
+        Дублирование данных минимизируется путем использования глубокого
+        копирования состояния узла.
+
+        :raises ValueError: Если текущая версия не существует в карте версий.
+        """
+        self._last_version += 1
+        parent_node = self._version_map[self._current_version]
+        new_state = deepcopy(parent_node.state)
+        new_node = Node(new_state)
+        parent_node.children[self._last_version] = new_node
+        self._version_map[self._last_version] = new_node
+        self._current_version = self._last_version
+        self.root = new_node

persistent_data_structures/persistent_array.py

@@ -1,126 +1,142 @@
 import numpy as np
-
-from persistent_data_structures.base_persistent import BasePersistent
+from base_persistent import BasePersistent
 
 
 class PersistentArray(BasePersistent):
-    """Персистентный массив.
-    Класс PersistentArray реализует неизменяемый массив с
-    возможностью хранения нескольких версий, где каждая
-    версия является изменением предыдущей.
-    """
+    """Персистентный массив с использованием B-дерева."""
 
     def __init__(self, size: int = 1024, default_value: int = 0) -> None:
-        """Инициализирует новый массив с несколькими версиями.
+        """
+        Инициализирует новый массив с несколькими версиями.
 
         Создается первая версия массива, которая состоит из элементов,
         равных default_value.
+
         :param size: Начальный размер массива (по умолчанию 1024).
         :param default_value: Значение по умолчанию для элементов массива (по умолчанию 0).
         """
-        self.size = size
-        self.default_value = default_value
-        initial_state = np.full(size, default_value)
+        self.size: int = size
+        self.default_value: int = default_value
+        initial_state: np.ndarray = np.full(size, default_value)
         super().__init__(initial_state)
 
     def __getitem__(self, index: int) -> any:
-        """Получение значения из текущей версии массива по индексу.
+        """
+        Получение значения из текущей версии массива по индексу.
 
         :param index: Индекс элемента в текущей версии массива.
         :return: Значение элемента в текущей версии массива по заданному индексу.
         :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
         """
         if index < 0 or index >= self.size:
             raise ValueError("Invalid index")
-        return self._history[self._current_state][index]
+        return self.root.state[index]
 
-    def get(self, version: int, index: int) -> any:
-        """Получение значения элемента для определенной версии массива по индексу.
+    def __setitem__(self, index: int, value: any) -> None:
+        """
+        Обновление значения элемента в новой версии массива.
 
-        :param version: Номер версии, из которой нужно получить элемент.
-        :param index: Индекс элемента в указанной версии массива.
-        :return: Значение элемента в указанной версии массива по заданному индексу.
-        :raises ValueError: Если версия или индекс выходят за пределы допустимого диапазона.
+        Обновляет значение элемента из текущей версии массива по индексу
+        и помещает получившийся массив в новую версию.
+
+        :param index: Индекс элемента, который необходимо обновить.
+        :param value: Новое значение для обновляемого элемента.
+        :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
         """
-        if version > self._current_state or version < 0:
-            raise ValueError(f'Version "{version}" does not exist')
         if index < 0 or index >= self.size:
             raise ValueError("Invalid index")
-        return self._history[version][index]
+        self._create_new_state()
+        self.root.state[index] = value
 
     def add(self, value: any) -> None:
-        """Добавление нового элемента в конец массива в новую версию.
+        """
+        Добавление нового элемента в конец массива в новую версию.
 
-        :param value (int): Значение нового элемента, который добавляется в массив.
+        :param value: Значение нового элемента, который добавляется в массив.
         """
         self._create_new_state()
-        self._history[self._last_state] = np.append(self._history[self._last_state], value)
+        self.root.state = np.append(self.root.state, value)
         self.size += 1
 
     def pop(self, index: int) -> any:
-        """Удаление элемента в новой версии массива и возвращение его значения.
+        """
+        Удаление элемента в новой версии массива и возвращение его значения.
 
-        :param index (int): Индекс элемента, который необходимо удалить.
-        :return int: Значение удаленного элемента.
+        :param index: Индекс элемента, который необходимо удалить.
+        :return: Значение удаленного элемента.
         :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
         """
         if index < 0 or index >= self.size:
             raise ValueError("Invalid index")
-        removed_element = self._history[self._current_state][index]
         self._create_new_state()
-        self._history[self._last_state] = np.delete(self._history[self._last_state], index)
+        removed_element = self.root.state[index]
+        self.root.state = np.delete(self.root.state, index)
         self.size -= 1
         return removed_element
 
-    def __setitem__(self, index: int, value: any) -> None:
-        """Обновление значения элемента в новую версии массива.
-
-        Обновляет значение элемента из текущей версии массива по индексу
-        и помещает получившийся массив в новую версию.
-        :param index: Индекс элемента, который необходимо обновить.
-        :param value: Новое значение для обновляемого элемента.
-        :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
-        """
-        if index < 0 or index >= self.size:
-            raise ValueError("Invalid index")
-        self._create_new_state()
-        self._history[self._last_state][index] = value
-
     def insert(self, index: int, value: any) -> None:
-        """Вставка нового элемента в массив в указанную позицию в новой версии.
+        """
+        Вставка нового элемента в массив в указанную позицию в новой версии.
 
-        Вставляет новый элемент в указанную позицию в текущей версии массива и помещает
-        получившийся массив в новую версию.
         :param index: Позиция, в которую нужно вставить новый элемент.
         :param value: Значение нового элемента, который нужно вставить.
         :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
         """
         if index < 0 or index > self.size:
             raise ValueError("Invalid index")
         self._create_new_state()
-        self._history[self._last_state] = np.insert(self._history[self._last_state], index, value)
+        self.root.state = np.insert(self.root.state, index, value)
         self.size += 1
 
+    def get(self, version: int, index: int) -> any:
+        """
+        Получение значения элемента для определенной версии массива по индексу.
+
+        :param version: Номер версии, из которой нужно получить элемент.
+        :param index: Индекс элемента в указанной версии массива.
+        :return: Значение элемента в указанной версии массива по заданному индексу.
+        :raises ValueError: Если версия или индекс выходят за пределы допустимого диапазона.
+        """
+        if version < 0 or version > self._last_version:
+            raise ValueError(f'Version "{version}" does not exist')
+        state = self.get_version(version)
+        if index < 0 or index >= len(state):
+            raise ValueError("Invalid index")
+        return state[index]
+
     def remove(self, index: int) -> None:
-        """Удаление элемента в новой версии массива по индексу.
+        """
+        Удаление элемента в новой версии массива по индексу.
 
         Удаляет элемент из текущей версии массива по индексу и помещает результат в новую версию.
+
         :param index: Индекс элемента, который необходимо удалить.
         :raises ValueError: Если индекс выходит за пределы допустимого диапазона.
         """
         if index < 0 or index >= self.size:
             raise ValueError("Invalid index")
         self.pop(index)
 
+    def get_version_state(self, version: int) -> np.ndarray:
+        """
+        Получение состояния массива для указанной версии.
+
+        :param version: Номер версии.
+        :return: Состояние массива для указанной версии.
+        """
+        return self.get_version(version)
+
     def get_size(self) -> int:
-        """Получение текущего размера массива.
+        """
+        Получение текущего размера массива.
 
         :return: Количество элементов в текущей версии массива.
         """
         return self.size
 
-    def check_is_empty(self):
-        """Проверка, является ли массив пустым в текущей версии.
+    def check_is_empty(self) -> bool:
+        """
+        Проверка, является ли массив пустым в текущей версии.
 
         :return: True, если массив пуст, иначе False.
         """