Основные структуры данных. Структуры данных и оценка сложности алгоритмов

Структура данных - программная единица, позволяющая сберегать и обрабатывать массу однотипных или же логически связанных сведений в вычислительных устройствах. Если требуется добавить, найти, изменить или удалить сведения, структура предоставит определенный пакет опций, что составляет ее интерфейс.

Что включает в себя понятие структуры данных?

Этот термин может иметь несколько близких, но все же отличительных значений. Это:

• абстрактный тип;
• реализация абстрактного вида информации;
• экземпляр типа данных, к примеру, определенный список.

Если говорить о структуре данных в контексте функционального программирования, то это особенная единица, что сберегается при изменениях. О ней неформально можно сказать как о единой структуре, несмотря на то что могут иметься различные версии.

Что формирует структуру?

Формируется с помощью ссылок и операций над ними в определенном языке программирования. Стоит сказать, что разные виды структур подходят для осуществления разных приложений, некоторые, к примеру, обладают совершенно узкой специализацией и подходят только для производства установленных задач.

Если взять B-деревья, то они обычно подходят для формирования баз данных и только для них. В этот же час хеш-таблички применяются еще повсеместно на практике для создания различных словарей, к примеру, для демонстрации доменных наименований в интернет-адресах ПК, а не только для формирования баз.

Во время разработки того или иного программного обеспечения сложность реализации и качество функциональности программ напрямую зависят от правильного применения структур данных. Такое понимание вещей дало толчок к разработке формальных методик разработки и языков программирования, где структуры, а не алгоритмы ставятся на лидирующие позиции в архитектуре программы.

Стоит отметить, что многие языки программирования обладают установленным типом модульности, что позволяет структурам с данными безопасно использоваться в различных приложениях. Яркими примерами являются языки Java, C# и C++. Сейчас классическая структура используемых данных представлена в стандартных библиотеках языков программирования или непосредственно она встроена уже в сам язык. К примеру, хэш-таблицы встроена в Lua, Python, Perl, Ruby, Tcl и другие. Широко применяется стандартная библиотека шаблонов в C++.

Сравниваем структуру в функциональном и императивном программировании

Стоит сразу оговорится, что проектировать структуры для функциональных языков сложнее, чем для императивных, как минимум на это есть две причины:

1. Фактически все структуры часто применяют на практике присваивание, которое в чисто функциональном стиле не используется.
2. Функциональные структуры - это гибкие системы. В императивном программировании старые версии просто заменяются на новые, а в функциональном все работает, как работало. Иными словами, в императивном программировании структуры являются эфемерными, а в функциональном они постоянные.

Что включает в себя структура?

Часто данные, с которыми работают программы, сберегаются во встроенных в применяемом языке программирования массивах, константе или в переменной длине. Массив - это простейшая структура со сведениями, однако для решения некоторых задач требуется большая эффективность некоторых операций, потому применяются иные структуры (сложнее).

Простейший массив подходит для частого обращения к установленным компонентам по индексам и их изменению, а удаление элементов из средины функционирует за принципом O(N)O(N). Если вам требуется удалить элементы, чтобы разрешить определенные задачи, то придется воспользоваться иной структурой. К примеру, бинарное дерево (std::set) позволяет делать это по O(logN)O(log⁡N), однако оно не поддерживает работу с индексами, выполняется исключительно поочередный обход элементов и их поиск по значению. Таким образом, можно сказать, что структура отличается операциями, что она способна выполнять, а также скоростью их проделывания. Для примера стоит рассмотреть простейшие структуры, что не дают выгоды в эффективности, но имеют точно установленный набор поддерживаемых операций.

Стек

Это один из типов структур данных, представленный в виде ограниченного простейшего массива. Классический стек поддерживает всего лишь три опции:

• Внести элемент в стек (Сложность: O(1)O(1)).
• Извлечение элемента из стека (Сложность: O(1)O(1)).
• Проверка, пустой ли стек или нет (Сложность: O(1)O(1)).

Чтобы пояснить принцип работы стека, можно применить на практике аналогию с банкой печенья. Представьте, что на дне посудины лежит несколько печенюшек. Наверх вы можете положить еще пару кусочков или же вы можете, наоборот, взять одну печеньку сверху. Остальные печеньки будут закрыты верхними, и вы про них ничего не будете знать. Вот так дела обстоят и со стеком. Для описания понятия применяется аббревиатура LIFO (Last In, First Out), которая подчеркивает, что компонент, попавший внутрь стека последним, будет первым же и извлечен из него.

Очередь

Это еще один тип структуры данных, что поддерживает тот же набор опций, что и стек, однако у него противоположная семантика. Для описания очереди применяется аббревиатура FIFO (First In, First Out), потому как вначале извлекается элемент, что добавлен был раньше всех. Название структуры говорит за себя - принцип работы полностью совпадает с очередями, что можно увидеть в магазине, супермаркете.

Дек

Это еще один вид структуры данных, который еще называют очередью с двумя концами. Опция поддерживает следующий набор операций:

• Внести элемент в начало (Сложность: O(1)O(1)).
• Извлечь компонент из начала (Сложность: O(1)O(1)).
• Внесение элемента в конец (Сложность: O(1)O(1)).
• Извлечение элемента из конца (Сложность: O(1)O(1)).
• Проверка, пустой ли дек (Сложность: O(1)O(1)).

Списки

Данная структура данных определяет последовательность линейно связанных компонентов, для которых разрешены операции добавления компонентов в любое место списка и его удаление. Линейный список задается указателем на начало списка. Типичные операции над списками: обход, поиск конкретного компонента, вставка элемента, удаление компонента, объединение двух списков в единое целое, разбивка списка на пару и так далее. Стоит оговориться, что в линейном списке, помимо первого, имеется предыдущий компонент для каждого элемента, не включая последний. Это означает, что компоненты списка находятся в упорядоченном состоянии. Да, обработка такого списка не всегда удобна, ведь нет возможности продвижения в противоположную сторону — от конца списка к началу. Однако в линейном списке можно поэтапно пройтись по всем составляющим.

Еще существуют кольцевые списки. Это такая же структура, что и линейный список, однако она имеет дополнительную связь между первым и последним компонентами. Другими словами, следующим за последним элементом является первый компонент.

В этом списке элементы равноправны. Выделение первого и последнего - это условность.

Деревья

Это совокупность компонентов, что именуются узлами, в котором есть главный (один) компонент в виде корня, а все остальные разбиты на множество непересекающихся элементов. Каждое множество является деревом, а корень каждого древа - потомком корня дерева. Другими словами, все компоненты соединены между собой отношениями предок-потомок. Как результат можно наблюдать иерархическую структуру узлов. Если узлы не имеют потомка, то они называются листьями. Над деревом определены такие операции, как: добавление компонента и его удаление, обход, поиск компонента. Особую роль в информатике играют бинарные деревья. Что это такое? Это частный случай дерева, где каждый узел может иметь не больше пары потомков, являющихся корнями левого и правого поддерева. Если дополнительно для узлов дерева выполняется еще условие, что все значения компонентов левого поддерева меньше значений корня, а значения компонентов правого поддерева больше корня, то такое дерево именуется деревом бинарного поиска, и предназначается оно для быстрого нахождения элементов. Как же работает алгоритм поиска в таком случае? Искомое значение сравнивается со значением корня, и в зависимости от результата поиск либо завершается, либо продолжается, но исключительно в левом или правом поддереве. Общее число операций сравнения не станет превосходить высоту дерева (это наибольшее число компонентов на пути от корня до одного из листьев).

Графы

Графы - это совокупность компонентов, что именуются вершинами вместе с комплексом отношений между данными вершинами, которые называются ребрами. Графическая интерпретация данной структуры представлена в виде множества точек, что отвечают за вершины, а некоторые пары соединены линиями или стрелками, что соответствует ребрам. Последний случай говорит о том, что граф нужно называть ориентированным.

Графами можно описывать объекты какой угодно структуры, они являются главным средством для описания сложных структур и функционирования всех систем.

Детальней об абстрактной структуре

Для построения алгоритма требуется провести формализацию данных или, иными словами, необходимо привести данные к определенной информационной модели, что уже исследована и написана. Как только модель будет найдена, то можно утверждать, что установлена абстрактная структура.

Это основная структура данных, демонстрирующая признаки, качества объекта, взаимосвязь между компонентами объекта и операции, что возможно осуществить над ним. Основная задача - поиск и отображение форм представления сведений, комфортных для компьютерной корректировки. Стоит оговориться сразу, что информатика как точная наука действует с формальными объектами.

Анализ структур данных производится следующими объектами:

• Целые и вещественные числа.
• Логические значения.
• Символы.

Для обработки на компьютере всех элементов существуют соответствующие алгоритмы и структуры данных. Типичные объекты можно объединить в сложные структуры. Можно добавить операции над ними, правила к определенным компонентам этой структуры.

Структура организации данных включает в себя:

• Векторы.
• Динамические структуры.
• Таблицы.
• Многомерные массивы.
• Графы.

Если все элементы выбраны удачно, то это будет залогом формирования эффективных алгоритмов и структур данных. Если применять на практике аналогию структур и реальных объектов, то можно эффективно разрешать существующие задачи.

Стоит заметить, что все структуры организации данных существуют и по отдельности в программировании. Над ними много трудились еще в восемнадцатых и девятнадцатых веках, когда еще и в помине не было вычислительной машины.

Возможно разрабатывать алгоритм в понятиях абстрактной структуры, однако для реализации алгоритма на определенном языке программирования потребуется отыскать методику для ее представления в типах данных, операторах, что поддерживаются конкретным языком программирования. Для создания структур, таких как вектор, табличка, строка, последовательность, во многих языках программирования имеются классические типы данных: одномерный или двухмерный массив, строка, файл.

Мы разобрались с характеристиками структур данных, теперь стоит уделить больше внимания пониманию понятия структуры. При решении абсолютно любой задачи требуется работать с какими-то данными, чтобы произвести операции над информацией. У каждой задачи есть свой набор операций, однако некоторый набор применяется на практике чаще для решения разнообразных заданий. В таком случае полезно придумать определенный способ организации информации, что позволит выполнять эти операции как можно эффективнее. Как только такой способ появился, можно считать, что у вас появился «черный ящик», в котором будут сберегаться данные определенного рода и который станет выполнять те или иные операции с данными. Это позволит отвлечься от деталей и полностью сконцентрироваться на характерных особенностях задачи. Данный «черный ящик» может быть реализован любым образом, при этом необходимо стремиться к как можно более продуктивной реализации.

Кому это необходимо знать?

Ознакомится с информацией стоит начинающим программистам, которые желают отыскать свое место в этой сфере, но не знают, куда податься. Это основы в каждом языке программирования, потому будет не лишним узнать сразу же о структурах данных, а после работать с ними на конкретных примерах и с определенным языком. Не следует забывать, что каждую структуру возможно охарактеризовать логическими и физическими представлениями, а также совокупностью операций над этими представлениями.

Не забывайте: если говорите о той или иной структуре, то имейте в виду ее логическое представление, ведь физическое представление полностью сокрыто от «внешнего наблюдателя».

Кроме того, имейте в виду, что логическое представление совершенно не зависит от языка программирования и от вычислительной машины, а физическое, наоборот, зависит от трансляторов и вычислительной техники. К примеру, двумерный массив в "Фортране" и "Паскале" можно представить идентичным образом, а физическое представление в одной и той же вычислительной машине на этих языках будет отличаться.

Не спешите начинать учить конкретные структуры, лучше всего понять их классификацию, ознакомиться со всеми в теории и желательно на практике. Стоит помнить, что изменчивость - это важный признак структуры, и он указывает на статическое, динамическое или же полустатическое положение. Изучайте основы, прежде чем приступить к более глобальным вещам, это вам поможет в дальнейшем развитии.

ТИПЫ И СТРУКТУРЫ ДАННЫХ

Методические указания по дисциплине «Алгоритмы и структуры данных»

Составитель О.Л. Чагаева

Подготовлены кафедрой «Программные средства и системы» ФУО УрФУ

Введение

В окружающем нас мире находится огромное разнообразие предметов, объектов, явлений, процессов, отображаемых посредством информации.

Каждая представляемая информацией сущность (объект, явление) имеет ряд характерных для нее свойств (черт, признаков, параметров, характеристик, моментов). Например, свойствами материала являются его вес, габариты, сорт, цена, номенклатурный номер и др. Свойствами-признаками, характеризующими такую сущность, как организация-покупатель, являются наименование, ведомственная принадлежность, адрес, номер расчетного счета в Госбанке и др.

Свойства физической сущности отображаются с помощью переменных величин, являющихся элементарными единицами информации и называемых реквизитами.

Реквизит - это логически неделимый элемент любой сложной информационной совокупности, соотносимый с определенным свойством отображаемого информацией объекта или процесса.

В обрабатываемой информации реквизиты представляются как бы «атомами», из которых компонуются все остальные, более сложные по структуре образования информации. И наоборот, единицы информации любой сложности можно последовательным разложением на составляющие компоненты в конечном итоге расчленить до таких составляющих - переменных величин, которые не поддаются дальнейшему логическому разбиению. Такие элементарные компоненты и будут реквизитами.

Другими часто встречающимися в литературе синонимами реквизита являются элемент, поле, терм, признак иатрибут .

У каждого реквизита есть имя. При алгоритмизации и программировании с целью компактного написания чаще всего применяют сокращенные имена-идентификаторы, причем конкретные реализации обычно ограничивают их длину, алфавит и сферу действия. В ряде случаев допускается также употребление синонимов наименований реквизита, в том числе таких полных наименований, которые используются только во внешних документах, например, в качестве заголовков граф отчетов.

Каждому реквизиту присуще некоторое конечное множество значений в зависимости от характеристики того свойства объекта (явления), которое информационно отображает данный реквизит. Это множество, именуемое классом значений, одно, например, для параметра «температура больного» и другое - для признака «пол больного».

Значение реквизита, таким образом, есть в каждый заданный момент времени одна из позиций класса значений данного реквизита, отображающая, как предполагается, соответствующее состояние (из множества состояний) того свойства объекта (явления), которое характеризует реквизит. Так, текущим значением реквизита «температура больного» может быть 37,4°, а реквизита «пол больного» - «мужской». Другими словами, значение реквизита используется для представления значения соответствующего свойства сущности.

Существует ряд типов реквизитов в зависимости от видов значений, которые они могут иметь. Наиболее распространенными типами реквизитов, однако, являются числовой и текстовой .

Реквизиты числового типа характеризуют количественные свойства сущностей, полученные в результате подсчета натуральных единиц, измерения, взвешивания, вычисления на основе других количественно-суммовых данных и т. п. Поэтому значениями таких реквизитов служат числа со всеми свойственными им чертами и атрибутами.

В конкретных представлениях фигурирует несколько типов числовых величин в зависимости от класса чисел, системы счисления, фиксации десятичной запятой, упаковки и других; накладываются ограничения на диапазон чисел, форматы их представления на вводевыводе и различных носителях даже в рамках одной реализации. Поскольку все реквизиты числового типа активно используются в различных арифметических операциях, а большинство из них вообще создается в результате осуществления таких операций, указанные отличия и ограничения следует постоянно иметь в виду, так же как и необходимость соответствующего аппарата преобразования.

Реквизиты текстового типа выражают, как правило, качественные свойства сущностей и характеризуют обстоятельства, при которых имел место изучаемый процесс и были получены те или

иные числовые значения. Поэтому такие реквизиты называются признаками.

Значениями признаков являются последовательности символов (букв, цифр, различных знаков и специальных обозначений), называемые строками, или текстом.

Полный набор всевозможных попарно различимых символов данной информационной системы составляет ее алфавит, зависящий от характера задач, применяемых технических средств обработки данных и других факторов. Причем на различных стадиях обработки и даже в рамках одной вычислительной системы возможно применение различных алфавитов.

Размер алфавита (число разнообразных символов, которые могут быть в одном разряде величины) и его состав (набор) имеют прямое отношение к решению следующих проблем:

кодирования и дешифровки,

компактной записи значений единиц информации,

эффективного хранения данных, ускорения их поиска, передачи, ввода в вычислительные машины,

получения от машин информации в наиболее удобной для потребления форме,

снижения затрат на всевозможные перезаписи.

Поэтому выбору алфавита придается немаловажное значение.

Для использования информации, в алгоритмизации и программировании очень большое значение уделяется таким понятиям, как тип и структура данного.

1. ТИПЫ ДАННЫХ

Вычислительный процесс на ЭВМ реализуется, как известно, с помощью программ и данных. Сама программа тоже относится к данным. Поэтому можно сказать, что данные описывают любую информацию, с которой может работать ЭВМ. При этом под информацией понимаются любые факты и знания об объектах реального мира, процессах и отношениях и связях между ними. Все данные характеризуются рядом атрибутов (признаков, реквизитов), в том числе значением.

Кроме значения, к таким признакам относится понятие «тип данного». Тип данного определяется множеством значений данного и набором операций, которые можно выполнять над этими значениями в соответствии с их известными свойствами. Следовательно, тип данного определяет те операции, которые допустимы над соответствующим значением.

В языках программирования обычно используются такие распространенные типы данных, как целые, вещественные, символьные, битовые, указатели и пр.

2. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ

Особенностью данного того или иного типа является простота организации (неструктурированность).

Структура данных – это совокупность элементов данных, между которыми существуют некоторые отношения, причем элементами данных могут быть как простые данные (скаляры), так и структуры данных.

Таким образом, структуру можно определить следующим образом: S = (D, R), где D - множество элементов данных, R – множество отношений между элементами данных.

Все связи одного элемента данных с другими образуют элемент отношений, ассоциированный с соответствующим элементом данных.

Графическое изображение структуры должно отражать ее элементы данных и связи (отношения между ними), поэтому структуру удобно изображать в виде графа. При этом вершины графа можно интерпретировать как элементы данных, а отношениям между элементами данных соответствуют ориентированные дуги или неориентированное ребра (рис. 1).

Таким образом описанную и представленную структуру данных называют абстрактной или логической, так как она рассматривается без учета ее представления в машинной памяти. Но любая структура данных должна быть представлена в машинной памяти. Такая структура данных называется физической структурой, структурой хранения, внутренней структурой или структурой памяти.

Рис 1. Неориентированный (а) и ориентированный (б) граф

Таким образом, физическая структура данных отражает способ представления данных в машинной памяти.

В общем случае между логической и соответствующей ей физической структурой существует различие, степень которого зависит от самой структуры и особенностей той физической среды, в которой она должна быть отражена.

Например, с точки зрения языков программирования двумерный массив представляет собой прямоугольную таблицу, а в памяти – это линейная последовательность ячеек, в каждой из которых хранится значение одного из элементов массива, причем элементы массива упорядочены по строкам (или столбцам).

Разумеется, между логической и физической структурой должен существовать механизм, позволяющий отобразить логическую структуру в физическую.

Таким образом, каждую структуру данных можно характеризовать ее логическим (абстрактным) и физическим (конкретным) представлением, а также совокупностью операций на этих двух уровнях представления структуры (рис. 2).

Операции над логической структурой

Логическая структура данных

Операции над физической структурой

Физическая структура данных

Рис. 2. Отображение между логическим и физическим представлением структуры данных

2.1. Классификация структур данных

В зависимости от отсутствия или наличия явно заданных связей между элементами данных следует различать несвязанные структуры (векторы, массивы, строки, стеки, очереди) и связные структуры (связные списки).

Важные признак структуры – ее изменчивость – изменение числа элементов и/или связей между элементами структуры. Значение элемента данных не имеется в виду, так как в этом случае это свойство было бы характерно для всех структур данных за исключением, может быть, констант и данных, хранящихся в ПЗУ. По признаку изменчивости различают статические, полустатические и динамические структуры.

Важный признак структуры данных – характер упорядоченности ее элементов. По этому признаку структуры можно делить на линейно-упорядоченные, или линейные, и нелинейные.

В зависимости от характера взаимного расположения элементов в памяти линейные структуры можно разделить на структуры с последовательным распределением их элементов в памяти (векторы, строки, массивы, стеки, очереди) и структуры с произвольным связным распределением элементов в памяти (односвязные, двусвязные, циклически связанные, ассоциативные списки). Примером нелинейных структур являются многосвязные списки, древовидные структуры и графовые структуры общего вида.

2.2. Простейшие статические структуры

К простейшим структурам данных обычно относят векторы, массивы, записи, таблицы. Они характеризуются следующими свойствами:

постоянство структуры в течение всего времени ее существования;

смежность элементов и непрерывность области памяти, отводимой сразу для всех элементов структуры;простота и постоянство отношений между элементами

структуры, позволяющие исключить информацию об этих отношениях из области памяти, выделенной для элементов структуры, и хранить ее, например, в компактной форме в дескрипторах.

В силу этих свойств векторы, массивы, записи и таблицы принято считать статическими структурами.

2.2.1. Вектор

Вектор – это конечное упорядоченное множество простых данных или скаляров, одного и того же типа. С геометрической точки зрения вектор задает точку в многомерном пространстве, координатами которой служат значения элементов вектора.

Элементы вектора находятся друг с другом в единственно возможном отношении – отношении непосредственного следования. Строгая последовательность элементов вектора позволяет

пронумеровать их последовательными целыми числами – индексами. Логическая структура вектора полностью описывается числом и типом его элементов. Например, int array – целочисленный массив, состоящий из 10 элементов.

Важнейшая операция над вектором – доступ к его элементам. Как только организован доступ к элементу, над ним может быть выполнена любая операция, имеющая смысл для выбранного типа данных.

На логическом уровне для доступа к элементу вектора достаточно указать имя вектора и значение индекса соответствующего элемента. Например: array + array.

Физическая структура вектора – это последовательность одинаковых по длине участков памяти, называемых полями или слотами, каждый из которых предназначен для хранения одного элемента вектора. Поле может иметь размер минимально адресуемой ячейки памяти или соответствовать целой группе последовательных ячеек памяти.

Нередко физической структуре ставится в соответствие дескриптор или заголовок, который содержит информацию о данной физической структуре. Дескриптор необходим, например, в том случае, когда граничные размеры вектора становятся известны только на этапе выполнения программы.

Дескриптор тоже хранится в машинной памяти и представляет собой структуру, называемую записью. Для вектора дескриптор обычно хранит его имя, размер, значения граничных индексов, тип элемента, размер поля или слота, адрес первого элемента вектора (поля, хранящего этот элемент).

2.2.2. Массив

Массивом называется такой вектор, каждый элемент которого - вектор. В свою очередь, элементы вектора, являющегося элементом массива, также могут быть векторами. Процесс перехода от элемента к элементу этого элемента и так далее рано или поздно должен завершиться скаляром некоторого типа данных, причем этому типу должны соответствовать все скалярные элементы массива (рис. 3).

Рис. 3. Вид многомерного массива

На рис.3 представлен вид многомерного массива: в каждом узле решетки находится элемент массива. Таким образом, размерность его равна (3,3,2).

Как и для вектора, важнейшей элементарной операцией для массива является доступ к его элементу. На уровне логической структуры она осуществляется при помощи имени массива и упорядоченного набора индексов, однозначно идентифицирующих элемент массива. Например: array[i][j].

В отличие от вектора, для массива общего вида преобразование логической структуры в физическую имеет более сложный вид. Это преобразование выполняется путем процесса линеаризации, в ходе которого многомерная логическая структура массива отображается в одномерную физическую структуру. Эта физическая структура представляет собой линейно упорядоченную последовательность элементов массива. Таким образом, физическая структура многомерного массива аналогична физической структуре вектора.

Несмотря на это, дескриптор многомерного массива отличается от дескриптора вектора. Например, в нем должна хранится информация о размерности массива, способе упорядочения элементов (по строкам или столбцам).

2.2.3. Запись

Запись – это конечное упорядоченное множество элементов, содержащее в общем случае данные различных типов.

Элементы записи часто называют полями. Запись – это обобщенное понятие вектора, при котором не требуется однотипность или

Тема этой статьи снова касается теории программирования , поэтому придется прибегнуть к различным классификациям и оперировать математическими терминами. Структуры данных – это практически первое, о чем рассказывают в ходе учебных . Оценка сложности алгоритмов – второе. Может показаться, что эти два вопроса мало связаны, но это не так, и по ходу повествования станет ясно почему. Я не буду углубляться в детали, поскольку практика показывает, что в процессе приобретения опыта в в голове остается только самое важное. По-моему, так происходит в любой сфере деятельности. Я постараюсь изложить то, что осталось по этим вопросам в голове у меня.

Классификация структур данных

Структура данных – это форма хранения и представления информации. Определение весьма расплывчато, поэтому специалисты используют различные формы классификации и уточнений. Структуры данных бывают простыми и сложными: представляют атомарную единицу информации или набор однотипных данных. Простые структуры данных характеризуются , например, целочисленный, вещественный, логический, текстовый тип и т.д. Сложные структуры данных делятся на динамические и статические наборы. Динамические в процессе своего жизненного цикла позволяют изменять свой размер (добавлять и удалять элементы), а статические - нет. И наконец, по организации взаимосвязей между элементами сложных структур данных существует следующая классификация:

• Линейные
  • Массив
  • Список
  • Связанный список
  • Очередь
  • Хэш-таблица

Иерархические

• Двоичные деревья
• N-арные деревья
• Иерархический список

Сетевые

• Простой граф
• Ориентированный граф

Табличные

• Таблица реляционной базы данных
• Двумерный массив

Другие

Приведенная классификация далеко не полная. Элементами сложных структур данных могут выступать как экземпляры простых, так и экземпляры сложных структур данных, например структура данных лес – это список непересекающихся деревьев. Теперь постараюсь дать краткое описание перечисленным классам сложных структур данных. Первый уровень классификации построен на основе различий в способе адресации и поиска отдельных элементов в наборе сложной структуры данных.

Линейные структуры данных

Элемент линейной структуры данных характеризуется порядковым номером или индексом в линейной последовательности элементов.

Массив – это в статическая линейная структура однотипных данных, оптимизированная для операций поиска элемента по его индексу. Однозначное местоположение элемента в памяти обеспечивается именно однотипностью элементов в массиве и определяется произведением его индекса на размер памяти, занимаемой одним элементом.

Линейный массив.
Адрес(элемент(index)) = размер_ячейки * index.

Список – это динамическая линейная структура данных, в которой каждый элемент ссылается либо только на предыдущий – однонаправленный линейный список , либо на предыдущий и следующий за ним – двунаправленный линейный список . Достоинство этой структуры данных, помимо возможности изменять размер, - это простота реализации. Также, благодаря наличию ссылок, каждый элемент в списке, в отличие от массива, может занимать разный объем памяти. Адрес первого элемента в линейном списке однозначно определяется адресом самого списка.

Связанный список – это вариант обычного линейного списка, оптимизированный для операций добавления и удаления элементов. Оптимизация заключается в том, что элементы связанного списка не обязаны в памяти располагаться друг за другом. Порядок элементов определяется ссылкой на первый элемент (не обязан быть в самом начале выделенной для списка памяти) и последовательностью ссылок на остальные элементы списка.

Связанный список.

Стек – это динамическая линейная структура данных, для которой определены всего две операции изменения набора элементов: добавление элемента в конец и удаление последнего элемента. Еще говорят, что стек реализует принцип LIFO (Last in, First Out) – последним пришел и первым ушел. Например, в ходе выполнения программного кода, вычислительная машина при необходимости вызвать процедуру или функцию сначала заносит указатель на место ее вызова в стек, чтобы при завершении выполнения ее кода корректно вернуться к следующей после точки вызова инструкции. Такая структура данных называется стеком вызовов подпрограмм.

Стек.

Очередь – очень похожая не стек, динамическая структура данных, с той лишь разницей, что она реализует принцип FIFO (First in, First out) – первым пришел и первым ушел. За примерами в реальной жизни, как понятно из названия, далеко ходить не надо. В программировании с помощью очередей, например, обрабатывают события пользовательского интерфейса, обращения клиентов к и прочие информационные запросы.

Очередь.

Хэш-таблица – наиболее сложный из динамических линейных структур данных тип. Хэш-таблица оптимизирована для быстрого поиска элементов за счет вычисления адреса элемента, как значения хэш-функции. Аргументом хэш-функции является некий ассоциированный с элементом ключ, например, его порядковый номер. Чтобы гарантировать уникальные значения хэш-функции для уникальных значений ключа (исключить коллизии) хэш-таблица, помимо хитрых алгоритмов, также щедро использует оперативную память. Применение хэш-таблиц должно быть оправдано и тщательно продумано.

Иерархические структуры данных

Элемент в иерархической структуре данных характеризуется ссылкой на вышестоящий в иерархии элемент (или ссылками на нижестоящие элементы) и (необязательно) порядковым номером в линейной последовательности своего уровня (иерархические списки).

Деревья – динамическая иерархическая структура данных, представленная единственным корневым узлом и его потомками. Максимальное количество потомков каждого узла и определяет размерность дерева . Отдельно выделяют двоичные или бинарные деревья , поскольку они используются в алгоритмах сортировки и поиска: каждый узел двоичного дерева поиска соответствует элементу из некоторого отсортированного набора, все его “левые” потомки – меньшим элементам, а все его “правые” потомки – большим элементам. Каждый узел в дереве однозначно идентифицируется последовательностью неповторяющихся узлов от корня и до него – путем. Длина пути и является уровнем узла в иерархии дерева. Для двоичных или бинарных деревьев выделяют следующие виды рекурсивного обхода всех его элементов (в фигурных скобках указан порядок посещения элементов каждого узла, начиная с корня):

• прямой или префиксный
  {узел, левое поддерево, правое поддерево};


• обратный или постфиксный
  {левое поддерево, правое поддерево, узел};


• симметричный или инфиксный
  {левое поддерево, узел, правое поддерево};

Чтобы вывести элементы в порядке их возрастания, дерево поиска следует обойти в симметричном порядке. Чтобы элементы оказались в обратном порядке, в процессе обхода необходимо поменять порядок посещения поддеревьев.

Двоичное (бинарное) дерево.

Иерархический список – симбиоз линейного списка и дерева. Каждый элемент списка может быть также началом списка следующего подуровня иерархии. Пример иерархического списка – структура интернет форумов: последовательность сообщений образует линейный список, в то время как сообщения, являющиеся ответами на другие сообщения, порождают новые потоки обсуждения.

Иерархический список.

Сетевые структуры данных

Элемент в сетевой структуре данных характеризуется набором связей с другими - соседними элементами. В таких структурах данных ни начальный, ни корневой элементы явно не выделены.

Граф – динамическая сетевая структура данных, представленная набором вершин и ребер – связей между вершинами. Каждая вершина может быть связана с любым числом других вершин или с самой собой. Здесь уже нет никакой четкой иерархии. Если рассматривать узлы дерева, как вершины графа, а связи между узлами дерева разных уровней иерархии, как ребра графа, то само дерево можно считать графом, не содержащим циклов или ациклическим графом. Если для каждого ребра графа определено направление, то это ориентированный граф. Помимо направления каждое ребро графа может иметь свой вес. С помощью графа, например, моделируются транспортные сети и решаются задачи на оптимизацию транспортных потоков. Загруженность или, наоборот, пропускная способность транспортных магистралей задается весом соответствующих ребер.

Граф.

Ориентированный граф.

Элемент в табличной структуре данных характеризуется двумерным индексом: индексом строки и индексом столбца, на пересечении которых он находится. Примерами табличных структур данных являются и таблицы .

Оценка сложности алгоритмов

Под оценкой сложности алгоритмов подразумевают не интеллектуальные усилия, которые затратили авторы при их разработке, а зависимость количества элементарных операций, выполняемых вычислительной машиной от объема обрабатываемой информации. Например, как будет зависеть число сравнений двух чисел от длины исходной последовательности в процессе работы алгоритма сортировки. Я намеренно немного сузил определение, поскольку в дальнейшем речь будет идти только о количестве элементарных операций. На самом деле сложность алгоритма определяется не только количеством операций, но и объемом привлеченных для решения задачи вычислительных ресурсов, и в первую очередь, оперативной памяти. Чем проще алгоритм, тем он, скорее всего, дольше работает. Сложные и быстрые алгоритмы зачастую используют вспомогательные структуры данных, и, как следствие, расходуют дополнительную память. Закон сохранения энергии или “за все надо платить”. Один из примеров “предельной оптимизации” был рассмотрен ранее – это хэш-таблица. Я лично не знаю, как устроена хэш-таблица и как выглядят хэш-функции (догадываюсь, что не просто), но зато время поиска элементов по ключу практически не зависит от размера таблицы. Далее немного теории.

Оценку сложности алгоритмов проводят с использованием аппарата математического асимптотического анализа и выведения асимптотической оценки сложности.

Асимптотическая оценка сложности обозначается греческой буквой Θ (тета).

f(n) = Θ(g(n)), если существуют c1, c2>0 и n0 такие, что c1*g(n)n0.

Функция g(n) является асимптотически точной оценкой сложности алгоритма - функции f(n), приведенное неравенство называется асимптотическим равенством, а само обозначение Θ символизирует множество функций, которые растут “так же быстро”, как и функция g(n) – т.е. с точностью до умножения на константу. Как следует из приведенного неравенства, оценка Θ являет собой одновременно и верхнюю и нижнюю оценки сложности. Не всегда есть возможность получить оценку в таком виде, поэтому верхнюю и нижнюю оценки иногда определяют отдельно.

Верхняя оценка сложности обозначается греческой буквой Ο (омикрон), и является множеством функций, которые растут не быстрее, чем g(n).

f(n)= Ο(g(n)), если существует c>0 и n0 такие, что 0n0.

Нижняя оценка сложности обозначается греческой буквой Ω (омега), и является множеством функций, которые растут не медленнее, чем g(n).

f(n)= Ω(g(n)), если существует c>0 и n0 такие, что 0n0.

Как следствие: асимптотическая оценка существует только в том случае, если совпадают нижняя и верхняя оценки сложности алгоритма. В практике анализа алгоритмов чаще всего под оценкой сложности понимают верхнюю оценку сложности. Это вполне логично, поскольку наиболее важна оценка времени, за которое алгоритм гарантировано закончит работу, а не время, в пределах которого он точно не завершится.

Работа с линейными структурами данных

Ну и в заключении я приведу оценки сложности основных операций с линейными структурами данных, а именно добавление, удаление и поиск элемента по индексу или ключу. Элементарными операциями, в данном случае, являются операции сравнения, перебора, вычисления адреса или перестановки элементов набора структуры данных. В сводной таблице, помимо верхней оценки сложности, также приведены соответствующие перечисленным структурам данных компоненты библиотеки . Таким образом, основные линейные структуры данных уже есть в готовом виде и доступны всем разработчикам программного обеспечения на платформе .

• Перевод
• Recovery Mode

Екатерина Малахова, редактор-фрилансер, специально для блога Нетологии адаптировала статью Beau Carnes об основных типах структур данных.

«Плохие программисты думают о коде. Хорошие программисты думают о структурах данных и их взаимосвязях», - Линус Торвальдс, создатель Linux.

Структуры данных играют важную роль в процессе разработки ПО, а еще по ним часто задают вопросы на собеседованиях для разработчиков. Хорошая новость в том, что по сути они представляют собой всего лишь специальные форматы для организации и хранения данных.

В этой статье я покажу вам 10 самых распространенных структур данных. Для каждой из них приведены видео и примеры их реализации на JavaScript. Чтобы вы смогли попрактиковаться, я также добавил несколько упражнений из бета-версии новой учебной программы freeCodeCamp.

В статье я привожу примеры реализации этих структур данных на JavaScript: они также пригодятся, если вы используете низкоуровневый язык вроде С. В многие высокоуровневые языки, включая JavaScript, уже встроены реализации большинства структур данных, о которых пойдет речь. Тем не менее, такие знания станут серьезным преимуществом при поиске работы и пригодятся при написании высокопроизводительного кода.

Связные списки

Связный список - одна из базовых структур данных. Ее часто сравнивают с массивом, так как многие другие структуры можно реализовать с помощью либо массива, либо связного списка. У этих двух типов есть преимущества и недостатки.

Так устроен связный список

Связный список состоит из группы узлов, которые вместе образуют последовательность. Каждый узел содержит две вещи: фактические данные, которые в нем хранятся (это могут быть данные любого типа) и указатель (или ссылку) на следующий узел в последовательности. Также существуют двусвязные списки: в них у каждого узла есть указатель и на следующий, и на предыдущий элемент в списке.

Основные операции в связном списке включают добавление, удаление и поиск элемента в списке.

Временная сложность связного списка ╔═══════════╦═════════════════╦═══════════════╗ ║ Алгоритм ║Среднее значение ║ Худший случай ║ ╠═══════════╬═════════════════╬═══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(1) ║ O(1) ║ ║ Delete ║ O(1) ║ O(1) ║ ╚═══════════╩═════════════════╩═══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Стеки

Стек - это базовая структура данных, которая позволяет добавлять или удалять элементы только в её начале. Она похожа на стопку книг: если вы хотите взглянуть на книгу в середине стека, сперва придется убрать лежащие сверху.

Стек организован по принципу LIFO (Last In First Out, «последним пришёл - первым вышел») . Это значит, что последний элемент, который вы добавили в стек, первым выйдет из него.

Так устроен стек

В стеках можно выполнять три операции: добавление элемента (push), удаление элемента (pop) и отображение содержимого стека (pip).

Временная сложность стека ╔═══════════╦═════════════════╦═══════════════╗ ║ Алгоритм ║Среднее значение ║ Худший случай ║ ╠═══════════╬═════════════════╬═══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(1) ║ O(1) ║ ║ Delete ║ O(1) ║ O(1) ║ ╚═══════════╩═════════════════╩═══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Очереди

Эту структуру можно представить как очередь в продуктовом магазине. Первым обслуживают того, кто пришёл в самом начале - всё как в жизни.

Так устроена очередь

Очередь устроена по принципу FIFO (First In First Out, «первый пришёл - первый вышел»). Это значит, что удалить элемент можно только после того, как были убраны все ранее добавленные элементы.

Очередь позволяет выполнять две основных операции: добавлять элементы в конец очереди (enqueue ) и удалять первый элемент (dequeue ).

Временная сложность очереди ╔═══════════╦═════════════════╦═══════════════╗ ║ Алгоритм ║Среднее значение ║ Худший случай ║ ╠═══════════╬═════════════════╬═══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(1) ║ O(1) ║ ║ Delete ║ O(1) ║ O(1) ║ ╚═══════════╩═════════════════╩═══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Множества

Так выглядит множество

Множество хранит значения данных без определенного порядка, не повторяя их. Оно позволяет не только добавлять и удалять элементы: есть ещё несколько важных функций, которые можно применять к двум множествам сразу.

• Объединение комбинирует все элементы из двух разных множеств, превращая их в одно (без дубликатов).
• Пересечение анализирует два множества и  создает еще одно из тех элементов, которые присутствуют в обоих изначальных множествах.
• Разность выводит список элементов, которые есть в одном множестве, но отсутствуют в другом.
• Подмножество выдает булево значение, которое показывает, включает ли одно множество все элементы другого множества.

Пример реализации на JavaScript

Упражнения от freeCodeCamp

Map

Map - это структура, которая хранит данные в парах ключ/значение, где каждый ключ уникален. Иногда её также называют ассоциативным массивом или словарём. Map часто используют для быстрого поиска данных. Она позволяет делать следующие вещи:

• добавлять пары в коллекцию;
• удалять пары из коллекции;
• изменять существующей пары;
• искать значение, связанное с определенным ключом.

Так устроена структура map

Упражнения от freeCodeCamp

Хэш-таблицы

Так работают хэш-таблица и хэш-функция

Хэш-таблица - это похожая на Map структура, которая содержит пары ключ/значение. Она использует хэш-функцию для вычисления индекса в массиве из блоков данных, чтобы найти желаемое значение.

Обычно хэш-функция принимает строку символов в качестве вводных данных и выводит числовое значение. Для одного и того же ввода хэш-функция должна возвращать одинаковое число. Если два разных ввода хэшируются с одним и тем же итогом, возникает коллизия. Цель в том, чтобы таких случаев было как можно меньше.

Таким образом, когда вы вводите пару ключ/значение в хэш-таблицу, ключ проходит через хэш-функцию и превращается в число. В дальнейшем это число используется как фактический ключ, который соответствует определенному значению. Когда вы снова введёте тот же ключ, хэш-функция обработает его и вернет такой же числовой результат. Затем этот результат будет использован для поиска связанного значения. Такой подход заметно сокращает среднее время поиска.

Временная сложность хэш-таблицы ╔═══════════╦═════════════════╦═══════════════╗ ║ Алгоритм ║Среднее значение ║ Худший случай ║ ╠═══════════╬═════════════════╬═══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(1) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(1) ║ O(n) ║ ║ Delete ║ O(1) ║ O(n) ║ ╚═══════════╩═════════════════╩═══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Двоичное дерево поиска

Двоичное дерево поиска

Дерево - это структура данных, состоящая из узлов. Ей присущи следующие свойства:

• Каждое дерево имеет корневой узел (вверху).
• Корневой узел имеет ноль или более дочерних узлов.
• Каждый дочерний узел имеет ноль или более дочерних узлов, и так далее.

У двоичного дерева поиска есть два дополнительных свойства:

• Каждый узел имеет до двух дочерних узлов (потомков).
• Каждый узел меньше своих потомков справа, а его потомки слева меньше его самого.

Двоичные деревья поиска позволяют быстро находить, добавлять и удалять элементы. Они устроены так, что время каждой операции пропорционально логарифму общего числа элементов в дереве.

Временная сложность двоичного дерева поиска ╔═══════════╦═════════════════╦══════════════╗ ║ Алгоритм ║Среднее значение ║Худший случай ║ ╠═══════════╬═════════════════╬══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(log n) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(log n) ║ O(n) ║ ║ Delete ║ O(log n) ║ O(n) ║ ╚═══════════╩═════════════════╩══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Префиксное дерево

Префиксное (нагруженное) дерево - это разновидность дерева поиска. Оно хранит данные в метках, каждая из которых представляет собой узел на дереве. Такие структуры часто используют, чтобы хранить слова и выполнять быстрый поиск по ним - например, для функции автозаполнения.

Так устроено префиксное дерево

Каждый узел в языковом префиксном дереве содержит одну букву слова. Чтобы составить слово, нужно следовать по ветвям дерева, проходя по одной букве за раз. Дерево начинает ветвиться, когда порядок букв отличается от других имеющихся в нем слов или когда слово заканчивается. Каждый узел содержит букву (данные) и булево значение, которое указывает, является ли он последним в слове.

Посмотрите на иллюстрацию и попробуйте составить слова. Всегда начинайте с корневого узла вверху и спускайтесь вниз. Это дерево содержит следующие слова: ball, bat, doll, do, dork, dorm, send, sense.

Упражнения от freeCodeCamp

Двоичная куча

Двоичная куча - ещё одна древовидная структура данных. В ней у каждого узла не более двух потомков. Также она является совершенным деревом: это значит, что в ней полностью заняты данными все уровни, а последний заполнен слева направо.

Так устроены минимальная и максимальная кучи

Двоичная куча может быть минимальной или максимальной. В максимальной куче ключ любого узла всегда больше ключей его потомков или равен им. В минимальной куче всё устроено наоборот: ключ любого узла меньше ключей его потомков или равен им.

Порядок уровней в двоичной куче важен, в отличие от порядка узлов на одном и том же уровне. На иллюстрации видно, что в минимальной куче на третьем уровне значения идут не по порядку: 10, 6 и 12.

Временная сложность двоичной кучи ╔═══════════╦══════════════════╦═══════════════╗ ║ Алгоритм ║ Среднее значение ║ Худший случай ║ ╠═══════════╬══════════════════╬═══════════════╣ ║ Space ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Search ║ O(n) ║ O(n) ║ ║ Insert ║ O(1) ║ O(log n) ║ ║ Delete ║ O(log n) ║ O(log n) ║ ║ Peek ║ O(1) ║ O(1) ║ ╚═══════════╩══════════════════╩═══════════════╝

Упражнения от freeCodeCamp

Граф

Графы - это совокупности узлов (вершин) и связей между ними (рёбер). Также их называют сетями.

Графы делятся на два основных типа: ориентированные и неориентированные. У неориентированных графов рёбра между узлами не имеют какого-либо направления, тогда как у рёбер в ориентированных графах оно есть.

Чаще всего граф изображают в каком-либо из двух видов: это может быть список смежности или матрица смежности.

Граф в виде матрицы смежности

Список смежности можно представить как перечень элементов, где слева находится один узел, а справа - все остальные узлы, с которыми он соединяется.

Матрица смежности - это сетка с числами, где каждый ряд или колонка соответствуют отдельному узлу в графе. На пересечении ряда и колонки находится число, которое указывает на наличие связи. Нули означают, что она отсутствует; единицы - что связь есть. Чтобы обозначить вес каждой связи, используют числа больше единицы.

Существуют специальные алгоритмы для просмотра рёбер и вершин в графах - так называемые алгоритмы обхода. К их основным типам относят поиск в ширину (breadth-first search ) и в глубину (depth-first search ). Как вариант, с их помощью можно определить, насколько близко к корневому узлу находятся те или иные вершины графа. В видео ниже показано, как на JavaScript выполнить поиск в ширину.