Что такое структурные данные
Структура данных
Структура данных (англ. data structure ) — программная единица, позволяющая хранить и обрабатывать множество однотипных и/или логически связанных данных в вычислительной технике. Для добавления, поиска, изменения и удаления данных структура данных предоставляет некоторый набор функций, составляющих её интерфейс.
Термин «структура данных» может иметь несколько близких, но тем не менее различных значений [1] :
Структуры данных формируются с помощью типов данных, ссылок и операций над ними в выбранном языке программирования.
Различные виды структур данных подходят для различных приложений; некоторые из них имеют узкую специализацию для определённых задач. Например, B-деревья обычно подходят для создания баз данных, в то время как хеш-таблицы используются повсеместно для создания различного рода словарей, например, для отображения доменных имён в интернет-адреса компьютеров.
При разработке программного обеспечения сложность реализации и качество работы программ существенно зависит от правильного выбора структур данных. Это понимание дало начало формальным методам разработки и языкам программирования, в которых именно структуры данных, а не алгоритмы, ставятся во главу архитектуры программного средства. Большая часть таких языков обладает определённым типом модульности, позволяющим структурам данных безопасно переиспользоваться в различных приложениях. Объектно-ориентированные языки, такие как Java, C# и C++, являются примерами такого подхода.
Многие классические структуры данных представлены в стандартных библиотеках языков программирования или непосредственно встроены в языки программирования. Например, структура данных хэш-таблица встроена в языки программирования Lua, Perl, Python, Ruby, Tcl и др. Широко используется стандартная библиотека шаблонов (STL) языка C++.
Фундаментальными строительными блоками для большей части структур данных являются массивы, записи ( struct в Си и record в Паскале), размеченные объединения ( union в Си) и ссылки. Например, двусвязный список может быть построен с помощью записей и ссылок, где каждая запись (узел) будет хранить данные и ссылки на «левый» и «правый» узлы.
Сравнение структур данных в функциональном и императивном программировании
Проектировать структуры данных для функциональных языков более сложно, чем для императивных, как минимум по двум причинам [1] :
Структуры данных, которые необходимо знать каждому программисту
Пройти путь от нуля до профессионального инженера-программиста можно исключительно с помощью бесплатных ресурсов в интернете. Но разработчики, которые идут по этому пути, часто игнорируют концепцию структур данных. Они считают, что эти знания не принесут им пользы, поскольку они будут разрабатывать только простые приложения.
Однако уделять внимание структурам данных важно с самого начала обучения, так как они повышают эффективность приложений. Хотя это не означает, что нужно везде применять эти структуры — не менее важно понимать, когда они будут лишними.
Что такое структура данных?
Независимо от профессии, ежедневная работа связана с данными. Шеф-повар, инженер-программист или даже рыбак — все они работают с теми или иными формами данных.
Структуры данных — это контейнеры, которые хранят данные в определенном формате. Этот специфический формат придает структуре данных определенные качества, которые отличают ее от других структур и делают ее пригодной (или напротив, неподходящей) для тех или иных сценариев использования.
Рассмотрим некоторые из наиболее важных структур данных, которые помогут создавать эффективные решения.
Массивы
Массивы — одна из самых простых и часто применяемых структур данных. Такие структуры данных, как очереди и стеки, основаны на массивах и связанных списках (которые мы рассмотрим чуть позже).
Каждому элементу в массиве присваивается положительное целое число, которое обозначает положение элемента. Это число называется индексом. В большинстве языков программирования индексы начинаются с нуля. Эта концепция называется нумерацией на основе нуля.
Существует два типа массивов: одномерные и многомерные. Первые представляют собой простейшие линейные структуры, а вторые — вложенные и включают другие массивы.
Основные операции с массивами
Применение массивов
Связанный список (Linked List)
Связанный список — это набор элементов, называемых узлами, в линейной последовательной структуре. Узел — простой объект с двумя свойствами. Это переменные для хранения данных и адреса памяти следующего узла в списке. Поэтому узел знает только о том, какие данные он содержит и кто его сосед. Это позволяет создавать связанные списки, в которых каждый узел связан с другим.
Существует несколько типов связанных списков.
Основные операции со связанными списками
Применение связанных списков
Стек — линейная структура данных, которая создается на основе массивов или связанных списков. Стек следует принципу Last-In-First-Out (LIFO, “первым на вход — последним на выход”), т.е. последний элемент, вошедший в стек, будет первым, кто покинет его. Причина, по которой эта структура называется стеком, в том, что ее можно визуализировать как стопку книг на столе (по-английски stack).
Основные операции со стеком
Применение стеков
Очередь
Как и стек, очередь — это еще один тип линейной структуры данных, основанной либо на массивах, либо на связанных списках. Очереди отличаются от стеков тем, что они основаны на принципе First-In-First-Out (FIFO, “первым на вход — первым на выход”), где элемент, который входит в очередь первым, и покинет ее первым.
Реальная аналогия структуры данных “очереди” — это очередь людей, ожидающих покупки билета в кино.
Основные операции с очередями
Применение очередей
Ключевые термины
Графы делятся на два типа. Они различаются главным образом по направлениям пути между двумя вершинами.
Распространенные алгоритмы обхода графов
Основные операции с графами
Применение графов
Дерево
Дерево — это иерархическая структура данных, состоящая из вершин (узлов) и ребер, которые их соединяют. Деревья часто используются в системах искусственного интеллекта и сложных алгоритмах, поскольку обеспечивают эффективный подход к решению проблем. Дерево — это особый тип графа, который не содержит циклов. Некоторые утверждают, что деревья полностью отличаются от графов, но эти аргументы субъективны.
Существует несколько типов деревьев.
BST — самые распространенные типы деревьев.
Основные операции с BST
Применение деревьев
Хэш-таблица
Хэш-таблица хранит данные в парах ключ-значение. Это означает, что каждый ключ в хэш-таблице имеет некое значение, связанное с ним. Такая простая компоновка обеспечивает эффективность хэш-таблиц, независимо от их размера, при работе с данными.
Хэш-таблицы похожи на обычное хранилище данных с парой ключ-значение, однако их отличает способ генерации ключей. Они создаются с помощью специального процесса, называемого хэшированием.
Хеширование (хэш-функция)
Хэширование — это процесс, который с помощью хэш-функции преобразует ключ для получения хэшированного ключа. Эта хэш-функция определяет индекс таблицы или структуры, в которых должно храниться значение.
Зачем нужен хэш?
Некоторые задаются вопросом, зачем проходить через дополнительный процесс хэширования, когда можно просто сопоставить значения непосредственно с ключом. Хотя прямое сопоставление несложно, оно может оказаться неэффективным при работе с большим набором данных. С помощью хеширования можно достичь почти постоянного времени O(1).
Коллизии
Когда ключи равняются 18 и 35, происходит коллизия, поскольку они направляются к индексу 1.
Коллизии можно разрешить с помощью таких стратегий, как раздельная цепочка и открытая адресация.
Основные операции с хэш-таблицами
Заключение
Разработчикам важно знать хотя бы основы этих структур, поскольку при правильной реализации они помогут повысить эффективность ваших приложений.
Основные структуры данных. Матчасть. Азы
Все чаще замечаю, что современным самоучкам очень не хватает матчасти. Все знают языки, но мало основы, такие как типы данных или алгоритмы. Немного про типы данных.
Еще в далеком 1976 швейцарский ученый Никлаус Вирт написал книгу Алгоритмы + структуры данных = программы.
40+ лет спустя это уравнение все еще верно. И если вы самоучка и надолго в программировании пробегитесь по статье, можно по диагонали. Можно код кофе.
В статье так же будут вопросы, которое вы можете услышать на интервью.
Что такое структура данных?
Структура данных — это контейнер, который хранит данные в определенном макете. Этот «макет» позволяет структуре данных быть эффективной в некоторых операциях и неэффективной в других.
Какие бывают?
Линейные, элементы образуют последовательность или линейный список, обход узлов линеен. Примеры: Массивы. Связанный список, стеки и очереди.
Нелинейные, если обход узлов нелинейный, а данные не последовательны. Пример: граф и деревья.
Основные структуры данных.
Массивы
Массив — это самая простая и широко используемая структура данных. Другие структуры данных, такие как стеки и очереди, являются производными от массивов.
Изображение простого массива размера 4, содержащего элементы (1, 2, 3 и 4).
Каждому элементу данных присваивается положительное числовое значение (индекс), который соответствует позиции элемента в массиве. Большинство языков определяют начальный индекс массива как 0.
Бывают
Одномерные, как показано выше.
Многомерные, массивы внутри массивов.
Основные операции
Вопросы
Стеки
Стек — абстрактный тип данных, представляющий собой список элементов, организованных по принципу LIFO (англ. last in — first out, «последним пришёл — первым вышел»).
Это не массивы. Это очередь. Придумал Алан Тюринг.
Примером стека может быть куча книг, расположенных в вертикальном порядке. Для того, чтобы получить книгу, которая где-то посередине, вам нужно будет удалить все книги, размещенные на ней. Так работает метод LIFO (Last In First Out). Функция «Отменить» в приложениях работает по LIFO.
Изображение стека, в три элемента (1, 2 и 3), где 3 находится наверху и будет удален первым.
Основные операции
Вопросы
Очереди
Подобно стекам, очередь — хранит элемент последовательным образом. Существенное отличие от стека – использование FIFO (First in First Out) вместо LIFO.
Пример очереди – очередь людей. Последний занял последним и будешь, а первый первым ее и покинет.
Изображение очереди, в четыре элемента (1, 2, 3 и 4), где 1 находится наверху и будет удален первым
Основные операции
Вопросы
Связанный список
Связанный список – массив где каждый элемент является отдельным объектом и состоит из двух элементов – данных и ссылки на следующий узел.
Принципиальным преимуществом перед массивом является структурная гибкость: порядок элементов связного списка может не совпадать с порядком расположения элементов данных в памяти компьютера, а порядок обхода списка всегда явно задаётся его внутренними связями.
Бывают
Однонаправленный, каждый узел хранит адрес или ссылку на следующий узел в списке и последний узел имеет следующий адрес или ссылку как NULL.
Двунаправленный, две ссылки, связанные с каждым узлом, одним из опорных пунктов на следующий узел и один к предыдущему узлу.
Круговой, все узлы соединяются, образуя круг. В конце нет NULL. Циклический связанный список может быть одно-или двукратным циклическим связанным списком.
Самое частое, линейный однонаправленный список. Пример – файловая система.
Основные операции
Вопросы
Графы
Граф-это набор узлов (вершин), которые соединены друг с другом в виде сети ребрами (дугами).
Бывают
Ориентированный, ребра являются направленными, т.е. существует только одно доступное направление между двумя связными вершинами.
Неориентированные, к каждому из ребер можно осуществлять переход в обоих направлениях.
Смешанные
Встречаются в таких формах как
Общие алгоритмы обхода графа
Вопросы
Деревья
Дерево-это иерархическая структура данных, состоящая из узлов (вершин) и ребер (дуг). Деревья по сути связанные графы без циклов.
Древовидные структуры везде и всюду. Дерево скилов в играх знают все.
«Бинарное дерево — это иерархическая структура данных, в которой каждый узел имеет значение (оно же является в данном случае и ключом) и ссылки на левого и правого потомка. » — Procs
Три способа обхода дерева
Вопросы
Trie ( префиксное деревое )
Разновидность дерева для строк, быстрый поиск. Словари. Т9.
Вот как такое дерево хранит слова «top», «thus» и «their».
Слова хранятся сверху вниз, зеленые цветные узлы «p», «s» и «r» указывают на конец «top», «thus « и «their» соответственно.
Вопросы
Хэш таблицы
Хэширование — это процесс, используемый для уникальной идентификации объектов и хранения каждого объекта в заранее рассчитанном уникальном индексе (ключе).
Объект хранится в виде пары «ключ-значение», а коллекция таких элементов называется «словарем». Каждый объект можно найти с помощью этого ключа.
По сути это массив, в котором ключ представлен в виде хеш-функции.
Эффективность хеширования зависит от
Вопросы
Список ресурсов
Вместо заключения
Матчасть так же интересна, как и сами языки. Возможно, кто-то увидит знакомые ему базовые структуры и заинтересуется.
Спасибо, что прочли. Надеюсь не зря потратили время =)
PS: Прошу извинить, как оказалось, перевод статьи уже был тут и очень недавно, я проглядел.
Если интересно, вот она, спасибо Hokum, буду внимательнее.
10 типов структур данных, которые нужно знать + видео и упражнения
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.
Обратите внимание, что некоторые структуры данных включают временную сложность в нотации «большого О». Это относится не ко всем из них, так как иногда временная сложность зависит от реализации. Если вы хотите узнать больше о нотации «большого О», посмотрите это видео от Briana Marie.
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.
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.
Так устроен стек
В стеках можно выполнять три операции: добавление элемента (push), удаление элемента (pop) и отображение содержимого стека (pip).
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).
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.
Упражнения от freeCodeCamp
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:
10 структур данных, которые вы должны знать (+видео и задания)
Бо Карнс – разработчик и преподаватель расскажет о наиболее часто используемых и общих структурах данных. Специально для вас мы перевели его статью.
Связные списки
Связный список является одной из самых основных структур данных. Его часто сравнивают с массивом, поскольку многие другие структуры данных могут быть реализованы либо с помощью массива, либо с помощью связного списка. У каждого из них есть свои преимущества и недостатки. 
Связный список состоит из группы узлов, которые вместе представляют последовательность. Каждый узел содержит две вещи: фактические данные, которые хранятся (которые могут быть представлены любым типом данных), и указатель (или ссылка) на следующий узел в последовательности. Существуют также дважды связанные списки, в которых каждый узел имеет указатель и на следующий, и на предыдущий элемент в списке.
Самые основные операции в связанном списке включают добавление элемента в список, удаление элемента из списка и поиск в списке для элемента.
Реализация на JavaScript
Задания с freeCodeCamp:
Стеки
Задания с freeCodeCamp:
Очереди
Вы можете думать об этой структуре, как об очереди людей в продуктовом магазине. Стоящий первым будет обслужен первым. Также как очередь.
Если рассматривать очередь с точки доступа к данным, то она является FIFO (First In First Out). Это означает, что после добавления нового элемента все элементы, которые были добавлены до этого, должны быть удалены до того, как новый элемент будет удален.
В очереди есть только две основные операции: enqueue и dequeue. Enqueue означает вставить элемент в конец очереди, а dequeue означает удаление переднего элемента.
Задания с freeCodeCamp:
Множества
Множества хранят данные без определенного порядка и без повторяющихся значений. Помимо возможности добавления и удаления элементов, есть несколько других важных функций, которые работают с двумя наборами одновременно.
Задания с freeCodeCamp:
Задания с freeCodeCamp:
Хэш-таблицы
Задания с freeCodeCamp:
Двоичное дерево поиска
Двоичное дерево поиска имеет + две характеристики:
Двоичные деревья поиска позволяют быстро находить, добавлять и удалять элементы. Способ их настройки означает, что в среднем каждое сравнение позволяет операциям пропускать половину дерева, так что каждый поиск, вставка или удаление занимает время, пропорциональное логарифму количества элементов, хранящихся в дереве.
Задания с freeCodeCamp:
Префиксное дерево
Каждый узел в префиксном дереве содержит одну букву слова. Вы следуете ветвям дерева, чтобы записать слово, по одной букве за раз. Шаги начинают расходиться, когда порядок букв отличается от других слов в дереве или, когда заканчивается слово. Каждый узел содержит букву (данные) и логическое значение, указывающее, является ли узел последним узлом в слове.
Посмотрите на изображение, и вы можете создавать слова. Всегда начинайте с корневого узла вверху и двигайтесь вниз. Показанное здесь дерево содержит слово ball, bat, doll, do, dork, dorm, send, sense.
Задания с freeCodeCamp:
Двоичная куча
Задания с freeCodeCamp:
Графы
Задания с freeCodeCamp: