Capítulo 20

Lidando com conjuntos

Agora estamos interessados em melhorar o cadastro de contas que implementamos nos capítulos anteriores. O banco não quer aceitar o cadastro de contas cujo titular seja devedor, então dentro do sistema precisamos guardar uma lista com nomes dos devedores:

List<string> devedores = new List<string>();

devedores.Add("victor");
devedores.Add("osni");

Agora no cadastro precisamos verificar se o nome que foi digitado no formulário está dentro dessa lista. Podemos fazer isso utilizando o método Contains da classe List:

string titular = // lê o campo titular do cadastro
bool ehDevedor = devedores.Contains(titular);

Mas a implementação do Contains da lista precisa percorrer todos os nomes cadastrados para só então devolver se o elemento está ou não dentro da lista. Dessa forma, dependendo do tamanho da lista, essa busca pode ficar demorada.

20.1 - Otimizando a busca através de conjuntos

Como vimos, as listas não são muito otimizadas para as operações de buscas, pois além de permitirem a repetição de elementos (que prejudica o desempenho da busca), precisam percorrer todos os elementos para implementarem a operação Contains.

Quando precisamos que a operação de busca seja rápida, utilizamos os conjuntos do C# ao invés das listas. Conjuntos são estruturas nas quais podemos fazer buscas rápidas e que não permitem repetição de elementos.

Um dos tipos de conjuntos disponíveis no C# é a classe HashSet. Para buscar de maneira rápida, o HashSet "categoriza" os seus elementos, de forma a encontrá-los rapidamente. Por exemplo, imagine você em um supermercado. Se você quer comprar sorvete, você não olha todos os itens do supermercado, mas sim vai direto para a seção de congelados. Lá, você procura o seu sorvete favorito. Veja que você olhou muito menos elementos, pois foi direto para a categoria dele. O HashSet faz a mesma coisa. Ele dá "categorias" para cada um dos elementos, e quando busca por eles, vai direto para a categoria.

CategoriasDeConjuntos.png

A categoria é dada a partir do método GetHashCode() que vem herdado da classe Object do C#. Esse método devolve um número inteiro que representa qual é a categoria do objeto.

Cuidados ao sobrescrever o GetHashCode

Quando sobrescrevemos o método Equals de uma classe é uma boa prática também sobrescrevermos o método GetHashCode. Além disso, para que o HashSet funcione corretamente, a implementação do GetHashCode deve obedecer à seguinte regra:

Se tivermos dois objetos, objeto1 e objeto2, com objeto1.Equals(objeto2) devolvendo o valor true, então os métodos GetHashCode do objeto1 e do objeto2 devem devolver o mesmo valor. Ou seja, objetos iguais devem ser da mesma categoria.

Um detalhe interessante dos conjuntos é que você pode adicionar, remover e até mesmo verificar se um elemento está lá. Mas diferentemente da lista, você não consegue pegar um elemento randômico nela. Por exemplo, conjunto[10] não funciona! E isso faz sentido: não existe ordem em um conjunto.

HashSet<string> devedores = new HashSet<string>();
// Podemos adicionar elementos no conjunto utilizando o método Add
devedores.Add("victor");
devedores.Add("osni");

// Para sabermos o número de elementos adicionados, utilizamos a propriedade
// Count do conjunto. Nesse exemplo elementos guardará o valor 2
int elementos = devedores.Count;

// O conjunto não guarda elementos repetidos, então se tentarmos
// adicionar novamente a string "victor", o número de elementos
// continua sendo 2
devedores.Add("victor");

// Para perguntarmos se o conjunto possui um determinado elemento,
// utilizamos o método Contains
bool contem = devedores.Contains("osni");

// Não podemos pegar um elemento pela sua posição, pois os elementos do
// conjunto não possuem uma ordenação bem determinada. O código abaixo
// gera um erro de compilação:
devedores[0];

Para iterarmos nos elementos de um HashSet, podemos utilizar novamente o comando foreach:

foreach(string devedor in devedores)
{
    MessageBox.Show(devedor);
}

Quando executamos o foreach em um HashSet, a ordem em que os elementos são iterados é indefinida.

20.2 - Conjuntos Ordenados com o SortedSet

Em muitas aplicações além da busca rápida, também precisamos manter a ordenação dos elementos de um conjunto. Nesse tipo de aplicação, podemos utilizar uma nova classe do C# chamada SortedSet.

O SortedSet funciona de forma similar ao HashSet, utilizamos o Add para adicionar um elemento, o Remove para remover itens, o Count para perguntar quantos elementos estão armazenados e Contains para verificar se um determinado elemento está no conjunto. A diferença é que no HashSet os elementos são espalhados em categorias e por isso não sabemos qual é a ordem da iteração, já o SortedSet guarda os elementos na ordem crescente. Então no exemplo do conjunto de devedores, teríamos um conjunto em que os elementos estão em ordem alfabética:

SortedSet<string> devedores = new SortedSet<string>();

devedores.Add("Hugo");
devedores.Add("Ettore");
devedores.Add("Osni");
devedores.Add("Alberto");
devedores.Add("Victor");

// Esse foreach vai mostrar os nomes na seguinte ordem:
// Alberto, Ettore, Hugo, Osni e por fim Victor
foreach(string nome in devedores)
{
    MessageBox.Show(nome);
}

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20.3 - A interface de todos os conjuntos

Vimos que temos duas classes que representam conjuntos no C#, o HashSet e o SortedSet, em ambas as classes, quando queremos armazenar um elemento utilizamos o método Add, para remover o Remove, para buscar o Contains e para saber o número de elementos o Count, por esse motivo, existe uma interface que declara todos os comportamentos comuns aos conjunto que é a interface ISet.

HierarquiaDeConjuntos.png

20.4 - Comparação entre listas e conjuntos

Vimos que as listas e os conjuntos são duas estruturas que expõem muitos métodos em comum, mas que também possuem diversas diferenças:

Como listas e conjuntos possuem muitas operações em comum, tanto as listas quanto os conjuntos implementam uma outra interface do C# chamada ICollection:

HierarquiaICollection.png

Além disso, aprendemos que podemos utilizar o foreach com qualquer coleção do C#. Isso acontece porque o foreach aceita qualquer classe que implemente a interface IEnumerable, que é uma super interface (interface pai) da ICollection:

HierarquiaIEnumerable.png

20.5 - Exercícios

  1. Qual a saída do programa a seguir?

    var conjunto = new HashSet<Conta>();
    var c1 = new ContaCorrente();
    conjunto.Add(c1);
    conjunto.Add(c1);
    MessageBox.Show(conjunto.Count.ToString());
    
    • 0
    • 1
    • Um Set não possui propriedade Count
    • 2
  2. Como eliminar todos os elementos de um conjunto?

    var conjunto = new HashSet<Conta>();
    conjunto.????();
    
    • .Clear()
    • .DeleteAll()
    • .Reset()
    • .Empty()
  3. No Banco, não podemos criar novas contas para clientes que são devedores, então na tela de cadastro de nova conta, antes de criarmos a nova conta que será adicionada na aplicação precisamos verificar se ela está em uma lista de devedores que contém 30000 nomes.

    Adicione no projeto uma nova pasta chamada Busca e dentro dessa pasta crie uma nova classe chamada GeradorDeDevedores com o seguinte código:

    namespace Banco.Busca
    {
        public class GeradorDeDevedores
        {
            public List<string> GeraList()
            {
                List<string> nomes = new List<string>();
                for(int i = 0; i < 30000; i++)
                {
                    nomes.Add("devedor " + i);
                }
                return nomes;
            }
        }
    }
    

    Essa é a classe que será responsável por gerar a lista de devedores que utilizaremos na aplicação.

    No construtor do formulário de cadastro, classe FormCadastroConta, vamos utilizar o GeradorDeDevedores para inicializar a lista de devedores:

    public partial class FormCadastroConta : Form
    {
        private ICollection<string> devedores;
        
        private Form1 formPrincipal;
        
        public FormCadastroConta(Form1 formPrincipal)
        {
            this.formPrincipal = formPrincipal;
            InitializeComponent();
            
            GeradorDeDevedores gerador = new GeradorDeDevedores();
            this.devedores = gerador.GeraList();
        }
        
        // Resto da classe continua igual
    }
    

    Agora na ação do botão de cadastro, antes de criarmos a conta, precisamos verificar se o titular dessa nova conta é devedor:

    private void botaoCadastro_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        string titular = textoTitular.Text;
        bool ehDevedor = this.devedores.Contains(titular);
        if(!ehDevedor)
        {
            // faz a lógica para criar a conta
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("devedor");
        }
    }
    
  4. Para verificarmos a diferença entre o tempo de busca de listas e conjuntos, vamos repetir a busca 30000 vezes dentro de um loop:

    private void botaoCadastro_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        string titular = this.textoTitular.Text;
        bool ehDevedor = false;
        for(int i = 0; i < 30000; i++)
        {
            ehDevedor = this.devedores.Contains(titular);
        }
        if(!ehDevedor)
        {
            // faz a lógica para criar a conta
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("devedor");
        }
    }
    

    Enquanto o código está executando, tente mover a janela. O que aconteceu?

  5. Agora modifique o GeradorDeDevedores para que ele utilize um HashSet ao invés de um List:

    public HashSet<string> GeraList()
    {
        HashSet<string> nomes = new HashSet<string>();
        for(int i = 0; i < 30000; i++)
        {
            nomes.Add("devedor " + i);
        }
        return nomes;
    }
    

    Repare que, para utilizarmos o HashSet, precisamos mudar os tipos do objeto instanciado, da variável e do retorno no método. O que podemos fazer para evitar tantas mudanças quando queremos trocar a implementação de coleção que usamos?

  6. Teste novamente o cadastro da conta e veja que dessa vez a busca é mais rápida.

  7. Experimente também outras coleções no método GeraList.

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20.6 - Buscas rápidas utilizando Dicionários

No projeto do banco, temos diversas contas cadastradas e agora queremos criar uma nova busca de conta por nome do titular. Para implementar essa busca, podemos iterar na lista de contas e comparar o nome do titular de cada uma dessas contas:

IList<Conta> contas = // pega as contas cadastradas
string titularDaBusca = "victor";
Conta resultado = null;
foreach(Conta conta in contas)
{
    if(conta.Titular.Nome.Equals(titularDaBusca))
    {
        resultado = conta;
        break;
    }
}

Agora repare que em todo ponto do código em que precisamos buscar uma conta pelo nome do titular, precisamos repetir esse bloco de código, além disso, essa busca passa por todas as contas cadastradas no sistema, o que pode demorar bastante. Para resolver esse problema de forma eficiente, o C# nos oferece os Dicionários (Dictionary).

O Dictionary é uma classe que consegue associar uma chave a um valor. Utilizando o dicionário, podemos, por exemplo, associar o nome do titular com uma conta do sistema. Quando vamos construir um dicionário dentro do código, precisamos informar qual é o tipo da chave e qual será o tipo do valor associado a essa chave, para implementarmos a busca de contas, precisaríamos de um dicionário que associa uma chave do tipo string com uma Conta.

Dictionary<String, Conta> dicionario = new Dictionary<String, Conta>();

Agora para colocarmos um valor no dicionário, utilizamos o método Add:

Dictionary<String, Conta> dicionario = new Dictionary<String, Conta>();
Conta conta = // inicializa a conta

// vamos adicionar a conta no dicionário
// associa o nome do titular com a conta.
dicionario.Add(conta.Titular.Nome, conta);

Depois que inicializamos o dicionário, podemos realizar buscas de valores utilizando as chaves que foram cadastradas. Vamos, por exemplo, buscar a conta de um titular chamado "Victor":

Conta busca = dicionario["Victor"];

Veja que utilizando dicionários a busca por nomes ficou muito mais simples do que a busca utilizando o foreach, além disso, as buscas com dicionários são tão rápidas quanto buscas utilizando conjuntos, ou seja, muito mais eficientes do que o nosso foreach inicial.

20.7 - Iterando no dicionário

Além de fazermos buscas rápidas, podemos também iterar nos elementos que estão armazenados, para isso também utilizamos o foreach do C#. Porém qual será o tipo que utilizaremos dentro do foreach?

Ao iterarmos em um dicionário, o tipo utilizado dentro do foreach é um tipo que consegue guardar um par de chave associado a um valor do dicionário (KeyValuePair). Logo, no código do foreach o tipo seria KeyValuePair<tipo da chave, tipo do valor>:

Dictionary<string, Conta> dicionario = new Dictionary<string, Conta>();
// preenche o dicionário

foreach(KeyValuePair<string, Conta> par in dicionario)
{
    // podemos acessar a chave atual do dicionário
    string chave = par.Key;
    
    // e podemos pegar o valor associado à chave
    Conta valor = par.Value;
}

Assim como no HashSet, quando iteramos em um dicionário, seus elementos não estão em nenhuma ordem em particular, logo não podemos depender da ordem dos elementos do dicionário. Quando estamos trabalhando com um algoritmo que depende da ordem dos elementos, precisamos utilizar um outro tipo de dicionário chamado SortedDictionary. O uso do SortedDictionary é igual ao do Dictionary, porém seus elementos estão sempre na ordem crescente das chaves do dicionário.

No C#, temos uma interface implementada por todos os tipos os tipos de dicionários, a IDictionary, além disso, os dicionários também implementam a interface ICollection do C#, porém eles são coleções de KeyValuePair. Podemos ver sua hierarquia na imagem a seguir:

HierarquiaDeDicionarios.png

A hierarquia das coleções do C# fica da seguinte forma:

HierarquiaColecoesCSharp.png

20.8 - Exercícios

  1. Em nosso banco, precisamos implementar uma nova busca de contas por nome do titular. Para implementarmos essa busca, utilizaremos os dicionários do C#.

    No formulário principal da aplicação, coloque um novo campo de texto que receberá qual é o nome do titular da busca. Chame esse campo de textoBuscaTitular. Além desse novo campo de texto, coloque também um novo botão que quando clicado executará a busca por nome, chame esse botão de botaoBusca. O seu formulário deve ficar parecido com o que segue:

    FormularioBuscaDicionario.png

    Para implementarmos essa busca por nome de titular, o formulário precisa de um novo atributo do tipo Dictionary. Quais devem ser os tipos da chave e do valor do dicionário? Agora que temos o dicionário, toda vez que criamos uma nova conta, precisamos adicioná-la à lista de contas, no combo box e no dicionário de contas, mas como o formulário possui um método especializado em adicionar novas contas, o AdicionaConta, só precisamos modificar a implementação desse método. Repare que como o código está encapsulado, precisamos apenas modificar esse método que tudo funcionará automaticamente.

    public partial class Form1 : Form 
    {
        private Dictionary<string, Conta> dicionario;
    
      private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
      {
        this.dicionario = new Dictionary<string, Conta>();
    
        // resto do método
      }
    
      public void AdicionaConta(Conta conta)
      {
        contas.Add(conta);
        comboContas.Items.Add(conta);
    
        // agora só precisamos atualizar o dicionário
        this.dicionario.Add(conta.Titular.Nome, conta);
      }
      
      // Resto do código da classe
    }
    

    Agora que já preparamos o dicionário, precisamos apenas utilizá-lo para implementar a ação do botão de busca por titular.

    private void botaoBusca_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        // Precisamos primeiro buscar qual é o nome do titular que foi digitado
      // no campo de texto
      string nomeTitular = textoBuscaTitular.Text;
    
      // Agora vamos usar o dicionário para fazer a busca.
      // Repare como o código de busca fica simples
      Conta conta = dicionario[nomeTitular];
    
      // E agora só precisamos mostrar a conta que foi encontrada na busca
      textoTitular.Text = conta.Titular.Nome;
      textoNumero.Text = Convert.ToString(conta.Numero);
      textoSaldo.Text = Convert.ToString(conta.Saldo);
    }
    
  2. (Opcional) No código do exercício passado, quando encontramos uma conta dentro do dicionário, estamos apenas atualizando as informações que são mostradas nos campos textoNumero, textoSaldo e textoTitular, porém quando tentamos fazer uma operação, sempre utilizamos o item que está selecionado atualmente no comboContas. Precisamos utilizar a conta devolvida pelo dicionário para atualizar o valor selecionado do comboContas, para fazer isso, precisamos apenas atribuir a conta que queremos selecionar na propriedade SelectedIndex do comboContas:

    private void botaoBusca_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        string nomeTitular = textoBuscaTitular.Text;
      Conta conta = dicionario[nomeTitular];
    
      // Agora vamos atualizar o item selecionado do comboContas:
      comboContas.SelectedItem = conta;
    }
    

    Quando escrevemos na propriedade SelectedItem, o Windows Forms automaticamente chama a ação de mudança de item selecionado do combo box (o comboContas_SelectedIndexChanged), logo não precisamos nos preocupar em atualizar os campos de texto no código da busca por nome do titular.

  3. O que acontece quando tentamos buscar um nome de titular que não existe? Tente modificar o código do formulário para corrigir o problema.

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