Test numbers.c

numbers_test2.c

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+
+#include <stdlib.h>
+#include <stdio.h>
+#include <time.h>
+#include <string.h>
+#include "numbers.h"
+#include "bintree.h"
+
+/**
+ * @brief Vergleichsfunktion für unsigned int-Werte zur Verwendung im Binärbaum.
+ *
+ * Diese Funktion wird von der Binärbaum-Implementierung genutzt, um die
+ * Ordnung der Knoten zu bestimmen. Sie vergleicht die dereferenzierten
+ * unsigned int-Werte a und b.
+ *
+ * @param a Pointer auf einen unsigned int-Wert (linker Operand)
+ * @param b Pointer auf einen unsigned int-Wert (rechter Operand)
+ * @return -1, falls *a < *b; 1, falls *a > *b; 0, falls *a == *b
+ */
+static int compareUInt(const void *a, const void *b)
+{
+    unsigned int va = *(const unsigned int *)a;
+    unsigned int vb = *(const unsigned int *)b;
+    if (va < vb) return -1;
+    if (va > vb) return 1;
+    return 0;
+}
+
+/**
+ * @brief Vergleichsfunktion für qsort() zur Sortierung von unsigned int-Arrays.
+ *
+ * @param a Pointer auf einen Arrayeintrag
+ * @param b Pointer auf einen Arrayeintrag
+ * @return -1, 0, 1 analog zu compareUInt()
+ */
+static int qsort_uint_cmp(const void *a, const void *b)
+{
+    unsigned int va = *(const unsigned int *)a;
+    unsigned int vb = *(const unsigned int *)b;
+    if (va < vb) return -1;
+    if (va > vb) return 1;
+    return 0;
+}
+
+/**
+ * @brief Erzeugt ein Array aus len Zufallszahlen im Bereich [1 .. 2*len],
+ *        das genau einen duplizierten Wert enthält (d. h. len-1 eindeutige + 1 Duplikat),
+ *        und mischt die Reihenfolge zufällig.
+ *
+ * Funktionsweise:
+ * - Es werden zunächst len-1 eindeutige Zufallszahlen erzeugt. Die Eindeutigkeit wird
+ *   mithilfe eines Binärsuchbaums (BST) geprüft: addToTree() fügt die Zahl ein
+ *   und signalisiert per isDup, ob sie bereits vorhanden war.
+ * - Anschließend wird eine der bereits erzeugten Zahlen zufällig ausgewählt und
+ *   noch einmal an das Ende des Arrays geschrieben, um das geforderte Duplikat sicherzustellen.
+ * - Zum Schluss wird das gesamte Array mittels Fisher–Yates-Algorithmus gemischt.
+ *
+ * Fehlerbehandlung:
+ * - Bei len < 2 wird NULL zurückgegeben, da das Problem ein Duplikat erfordert.
+ * - Bei Speicher- oder Baum-Insertionsfehlern wird aufgeräumt und NULL zurückgegeben.
+ *   Wichtig: Der Baumzeiger root wird erst nach erfolgreichem Insert aktualisiert,
+ *   um im Fehlerfall kein bereits aufgebautes Teilbaum-Objekt zu verlieren.
+ *
+ * Randbedingungen / Annahmen:
+ * - addToTree(root, &val, sizeof(val), compareUInt, &isDup) setzt isDup:
+ *   isDup == 1 bedeutet „Duplikat gefunden, Baum unverändert“,
+ *   isDup == 0 bedeutet „neuer Wert eingefügt (oder Fehler)“.
+ * - Bei Speicherfehler gibt addToTree NULL zurück und isDup bleibt 0.
+ * - clearTree(root) darf mit NULL-Argument aufgerufen werden (No-Op).
+ *
+ * Komplexität:
+ * - Durchschnittlich O(len * log(len)) für die len-1 Einfügungen in den BST.
+ * - Shuffle in O(len).
+ *
+ * @param len Anzahl der zu erzeugenden Werte (muss >= 2 sein)
+ * @return Pointer auf ein Array mit len Einträgen bei Erfolg; NULL bei Fehlern
+ */
+unsigned int *createNumbers(unsigned int len)
+{
+    if (len < 2)
+        return NULL;
+
+    unsigned int *numbers = (unsigned int *)malloc(sizeof(unsigned int) * len);
+    if (numbers == NULL)
+        return NULL;
+
+    // Zufallszahlengenerator nur einmal pro Prozess initialisieren.
+    // Hintergrund: Wird createNumbers mehrfach schnell hintereinander gerufen,
+    // kann time(NULL) identische Seeds liefern und damit identische Zahlenfolgen erzeugen.
+    static int seeded = 0;
+    if (!seeded) {
+        srand((unsigned int)time(NULL));
+        seeded = 1;
+    }
+
+    TreeNode *root = NULL;
+    unsigned int range = 2 * len;
+
+    // Schritt 1: len-1 eindeutige Zufallszahlen erzeugen
+    for (unsigned int i = 0; i < len - 1; i++)
+    {
+        unsigned int val;
+        int isDup;
+
+        // Wiederholen, bis eine wirklich neue Zahl eingefügt wurde
+        for (;;)
+        {
+            isDup = 0; // vor jedem Insert zurücksetzen, um „alte“ Werte zu vermeiden
+            val = (unsigned int)(rand() % range) + 1; // Wertebereich [1 .. 2*len]
+
+            // addToTree kann bei Erfolg einen (ggf. neuen) Wurzelzeiger liefern.
+            // Zur Vermeidung eines Speicherlecks bei Fehlern zunächst in temp speichern.
+            TreeNode *newRoot = addToTree(root, &val, sizeof(val), compareUInt, &isDup);
+
+            if (newRoot == NULL && isDup == 0) {
+                // Vermutlich Speicher-/Insertionsfehler: aufräumen und abbrechen
+                free(numbers);
+                clearTree(root);  // root zeigt noch auf den gültigen Teilbaum
+                return NULL;
+            }
+
+            if (!isDup) {
+                // Einfügen war erfolgreich und der Wert ist eindeutig.
+                root = newRoot;
+                numbers[i] = val;
+                break;
+            }
+            // Andernfalls Duplikat: Neue Zufallszahl versuchen.
+        }
+    }
+
+    // Schritt 2: Eine der bestehenden Zahlen zufällig duplizieren
+    unsigned int idx = (unsigned int)(rand() % (len - 1)); // Index im Bereich [0 .. len-2]
+    numbers[len - 1] = numbers[idx];
+
+    // Schritt 3: Fisher–Yates-Shuffle über das gesamte Array
+    for (unsigned int i = len - 1; i > 0; i--)
+    {
+        unsigned int j = (unsigned int)(rand() % (i + 1));
+        unsigned int tmp = numbers[i];
+        numbers[i] = numbers[j];
+        numbers[j] = tmp;
+    }
+
+    // Aufräumen: Baum freigeben
+    clearTree(root);
+    return numbers;
+}
+
+/**
+ * @brief Findet den einzigen duplizierten Wert in einem Array aus len unsigned int.
+ *
+ * Funktionsweise:
+ * - Es wird eine Kopie des Eingabearrays erstellt, um die Reihenfolge des
+ *   Originalarrays nicht zu verändern.
+ * - Die Kopie wird mittels qsort() aufsteigend sortiert.
+ * - Beim Durchlauf werden benachbarte Elemente verglichen. Da genau ein Wert
+ *   doppelt vorkommt, finden wir ihn als erstes Paar gleicher Nachbarn.
+ *
+ * Fehlerbehandlung:
+ * - Bei ungültigen Parametern (numbers == NULL oder len < 2) wird 0 geliefert.
+ * - Bei Speicherfehlern beim Kopieren ebenfalls 0.
+ *
+ * Komplexität:
+ * - Sortieren in O(len * log(len)), anschließender Linearpass O(len).
+ *
+ * @param numbers Pointer auf das Eingabearray
+ * @param len     Länge des Arrays (muss >= 2 sein)
+ * @return Der doppelte Wert; 0 bei Fehlern oder falls kein Duplikat gefunden wurde
+ *         (gemäß Aufgabenstellung sollte aber genau ein Duplikat existieren).
+ */
+unsigned int getDuplicate(const unsigned int numbers[], unsigned int len)
+{
+    if (numbers == NULL || len < 2)
+        return 0;
+
+    // Kopie erstellen, damit das Original unangetastet bleibt
+    unsigned int *copy = (unsigned int *)malloc(sizeof(unsigned int) * len);
+    if (copy == NULL)
+        return 0;
+
+    memcpy(copy, numbers, sizeof(unsigned int) * len);
+
+    // Sortieren der Kopie
+    qsort(copy, len, sizeof(unsigned int), qsort_uint_cmp);
+
+    // Linearer Scan: erstes Paar identischer Nachbarn ist das Duplikat
+    unsigned int result = 0;
+    for (unsigned int i = 0; i + 1 < len; i++)
+    {
+        if (copy[i] == copy[i + 1]) {
+            result = copy[i];
+            break;
+        }
+    }
+
+    free(copy);
+    return result;
+}