Что такое структура данных: типы, классификации и приложения?

Структуры данных являются неотъемлемой частью компьютеров и используются для организации данных в памяти. Они необходимы и отвечают за эффективную организацию, обработку, доступ и хранение данных. Но это еще не все. Различные типы структур данных имеют свои характеристики, особенности, приложения, преимущества и недостатки. Так как же выбрать, какую структуру данных выбрать для конкретной задачи? Что означает термин «структура данных»? Сколько существует типов структур данных и для чего они используются?

Мы вас прикрыли. Мы составили полный список всего о том, что такое структура данных, какие существуют типы структур данных, классификация структур данных, применение каждой структуры данных и так далее. В этой статье мы обсудим каждый аспект каждой структуры данных, чтобы помочь вам выбрать лучшую за считанные минуты.

Что такое структура данных

Структура данных — это хранилище, которое используется для хранения и организации данных. Это способ упорядочивания данных на компьютере таким образом, чтобы к ним можно было получить доступ и эффективно обновлять. Структура данных используется не только для организации данных, но и для обработки, извлечения и хранения данных. Существуют различные базовые и расширенные типы структур данных, которые используются почти в каждой разработанной программе или программной системе. Поэтому мы должны иметь хорошие знания о структурах данных.

Как структура данных зависит от типа данных

Мы уже узнали о структуре данных. Часто бывает так, что люди путаются между типом данных и структурой данных. Итак, давайте рассмотрим несколько различий между типом данных и структурой данных, чтобы было понятно.

Тип данных	Структура данных
Тип данных — это форма переменной, которой может быть присвоено значение. Он определяет, что конкретная переменная будет присваивать значения только данного типа данных.	Структура данных представляет собой набор различных типов данных. Все эти данные могут быть представлены с помощью объекта и могут использоваться во всей программе.
Он может содержать значение, а не данные. Следовательно, это без данных.	Он может содержать несколько типов данных в одном объекте.
Реализация типа данных известна как абстрактная реализация.	Реализация структуры данных известна как конкретная реализация.
В типе данных нет временной сложности термина.	В объектах структуры данных важную роль играет временная сложность.
В случае типа данных значение данных не сохраняется, поскольку оно представляет только тип данных, которые можно сохранить.	В то время как в случае структуры данных данные и их значение фактически занимают место в основной памяти компьютера. Кроме того, структура данных может содержать различные виды и типы данных в одном объекте.
Примеры типов данных: int, float, double.	Примеры структуры данных: стек, очередь, дерево.

Классификация структуры данных

Структура данных имеет множество различных применений в нашей повседневной жизни. Существует много разных структур данных, которые используются для решения различных математических и логических задач. Используя структуру данных, можно организовать и обработать очень большой объем данных за относительно короткий период времени. Давайте посмотрим на разные структуры данных, которые используются в разных ситуациях.

Классификация структуры данных

• Линейная структураданных. Структура данных, в которой элементы данных расположены последовательно или линейно, где каждый элемент прикреплен к своему предыдущему и следующему смежным элементам, называется линейной структурой данных. Примерами линейной структуры данных являются массив, стек, очередь, связанный список и т. д.
  • Статическая структура данных: Статическая структура данных имеет фиксированный размер памяти. Получить доступ к элементу в статической структуре данных проще.
    Примером такой структуры данных является массив.
  • Динамическая структура данных: в динамической структуре данных размер не является фиксированным, размер может произвольно обновляться во время выполнения, что можно считать эффективным с точки зрения сложности памяти кода.
    Примерами такой структуры данных являются очередь, стек и т. д.
• Нелинейная структураданных. Структура данных, в которой элементы данных расположены не последовательно или линейно, называется нелинейной структурой данных. В нелинейной структуре данных мы не можем обойти все элементы только за один раз.
  Примерами нелинейной структуры данных являются деревья и графы.

Массивы

Массив — это линейная структура данных, представляющая собой набор элементов, хранящихся в смежных ячейках памяти. Идея состоит в том, чтобы хранить несколько элементов одного типа вместе. Это позволяет обрабатывать большое количество данных за относительно короткий период времени. Он хранит несколько данных одного типа одновременно. Первый элемент массива индексируется индексом 0. В массиве возможны различные операции, такие как поиск, сортировка, вставка, обход, обращение и удаление.

Характеристики массива

Массив имеет различные характеристики, а именно:

• Массивы используют структуру данных на основе индексов, которая помогает легко идентифицировать каждый из элементов в массиве с помощью индекса.
• Если пользователь хочет хранить несколько значений одного и того же типа данных, тогда массив можно использовать эффективно.
• Массив также может обрабатывать сложную структуру данных, сохраняя данные в двумерном массиве.
• Массив также используется для реализации других структур данных, таких как стеки, очереди, кучи, хеш-таблицы и т. д.
• Процесс поиска в массиве может быть выполнен очень легко.
• В массиве доступ к элементу очень прост с использованием номера индекса.

Применение массива

Различные приложения массива следующие:

• Массив используется при решении задачи о матрицах
• Запись базы данных также реализуется массивом.
• Это помогает в реализации алгоритма сортировки.
• Он также используется для реализации других структур данных, таких как стеки, очереди, кучи, хеш-таблицы и т. д.
• Массив можно использовать для планирования процессора.
• Применяется в качестве таблицы поиска в компьютере.
• Массивы можно использовать при обработке речи, где каждый речевой сигнал представляет собой массив.

Применение массива в реальной жизни

• Массив часто используется для хранения данных для математических вычислений.
• Он используется в обработке изображений.
• Он также используется в управлении записями.
• Книжные страницы также являются реальным примером массива.
• Он также используется для заказа коробок.

Связанный список

Связный список — это линейная структура данных, в которой элементы не сортируются в смежных ячейках памяти. Элементы в связанном списке связаны с помощью указателей, как показано на рисунке ниже:

Типы связанного списка:

• Односвязный список
• Двусвязный список
• Круговой связанный список
• Дважды кольцевой связанный список

Характеристики связанного списка

• Связанный список имеет различные характеристики, а именно:
• Связанный список использует дополнительную память для хранения ссылок.
• При инициализации связанного списка нет необходимости знать размер элементов.
• Связанный список, используемый для реализации стеков, очередей, графов и т. д.
• Первый узел связанного списка называется Head.
• Следующий узел Lat всегда указывает на ноль.
• В связанном списке вставка и удаление возможны легко.
• Каждый узел связанного списка состоит из указателя/ссылки, которая является адресом следующего узла.
• Связанный список может легко уменьшаться или увеличиваться в любой момент времени.

Приложения связанного списка

Различные приложения связанного списка:

• Связанные списки используются для реализации стеков, очередей, графов и т. д.
• Связанный список используется для выполнения арифметических операций над длинными целыми числами.
• Он используется для представления разреженных матриц.
• Это связанное размещение файлов.
• Это помогает в управлении памятью.
• Манипуляции с полиномами путем сохранения констант в узле связанного списка.

Реальные приложения связанного списка:

• Связанный список используется в круговом расписании для отслеживания хода в многопользовательской игре.
• Он используется в просмотрщике изображений. Предыдущее и следующее изображения связаны между собой, поэтому к ним можно получить доступ с помощью кнопки «Далее» и «Предыдущее».
• В музыкальном плейлисте песни связаны с предыдущей и следующей песней.

Stack

Стек — это линейная структура данных, которая следует определенному порядку выполнения операций. Порядок может быть LIFO (последним пришел, первым ушел) или FILO (первым пришел последним). При этом ввод и извлечение данных возможно только с одного конца. Ввод и извлечение данных также называется операцией push и pop в стеке. В стеке возможны различные операции, такие как обращение стека с использованием рекурсии, сортировка, удаление среднего элемента стека и т. д.

Характеристики стека

Стек имеет различные характеристики, а именно:

• Стек используется во многих различных алгоритмах, таких как Ханойская башня, обход дерева, рекурсия и т. д.
• Стек реализуется через массив или связанный список.
• Это следует за операцией Last In First Out, т. е. элемент, который вставлен первым, появится последним, и наоборот.
• Вставка и удаление происходят на одном конце, то есть с вершины стека.
• В стеке, если выделенное пространство для стека заполнено, и все же, если кто-либо попытается добавить больше элементов, это приведет к переполнению стека.

Приложения стека

Различные приложения стека следующие:

• Структура данных стека используется при оценке и преобразовании арифметического выражения.
• Стек используется в рекурсии.
• Используется для проверки скобок.
• Хотя также используется реверсирование стека строк.
• Стек используется для управления памятью.
• Он также используется для обработки вызова функции.

Применение стека в реальной жизни

• Примером стопки в реальной жизни является слой тарелок, расположенных одна над другой. Когда вы убираете тарелку из стопки, вы можете взять тарелку с вершины стопки. Но это именно та пластина, которая была добавлена ​​в стопку совсем недавно. Если вы хотите, чтобы тарелка находилась внизу стопки, вы должны убрать все тарелки сверху, чтобы добраться до нее.
• Браузеры используют структуру данных стека для отслеживания ранее посещенных сайтов.
• Журнал вызовов в мобильном телефоне также использует структуру данных стека.

Очередь:

Очередь — это линейная структура, которая следует определенному порядку выполнения операций. Порядок — «первым поступил — первым обслужен» (FIFO), т. е. сначала будет осуществлен доступ к элементу данных, сохраненному первым. При этом ввод и извлечение данных осуществляется не только с одного конца. Примером очереди является любая очередь потребителей ресурса, в которой потребитель, пришедший первым, обслуживается первым. В очереди выполняются различные операции: реверсирование очереди, реверсирование очереди с использованием рекурсии, реверсирование первых K элементов очереди и т. д. В Queue задействованы несколько основных операций: push, pop, peek и т. д.

Queue

Характеристики Queue:

Очередь имеет различные характеристики, а именно:

• Queue — это структура FIFO (First in First out).
• Чтобы удалить последний элемент очереди, необходимо удалить все элементы, вставленные перед новым элементом в очередь.
• Queue — это упорядоченный список элементов с одинаковыми типами данных.

Применение Queue:

Различные приложения Queue следующие:

• Очередь используется для обработки трафика веб-сайта.
• Это помогает поддерживать список воспроизведения в медиаплеерах.
• Очереди используются в операционных системах для обработки прерываний.
• Это помогает обслуживать запросы на одном общем ресурсе, таком как принтер, планирование задач ЦП и т. д.
• Он используется при асинхронной передаче данных, например. трубы, файловый ввод-вывод, сокеты.

Реальные приложения Queue:

• Реальным примером очереди является однополосная дорога с односторонним движением, где транспортное средство въезжает первым, выезжает первым.
• Более реальный пример слова можно увидеть как очередь в кассах.
• Кассир в магазине также является примером очереди.
• Люди на эскалаторе.

Tree

Дерево представляет собой нелинейные и иерархические данные, организованные в виде древовидной структуры. В дереве самый верхний узел называется корневым узлом. Каждый узел содержит некоторые данные, и данные могут быть любого типа. Он состоит из центрального узла, структурных узлов и подузлов, которые соединены ребрами. Различные древовидные структуры данных обеспечивают более быстрый и простой доступ к данным, поскольку это нелинейная структура данных. дерево имеет различные термины, такие как узел, корень, край, высота дерева, степень дерева и т. д.

Существуют различные типы деревьев, такие как

• Binary Tree,
• Binary Search Tree,
• AVL Tree,
• B-Tree, etc.

Характеристики дерева

Дерево имеет различные характеристики, а именно:

• Дерево также известно как рекурсивная структура данных.
• В дереве высота корня может быть определена как самый длинный путь от корневого узла до конечного узла.
• В дереве также можно вычислить глубину от вершины до любого узла. Корневой узел имеет 0 глубины.

Применение дерева

Различные приложения дерева следующие:

• Куча — это древовидная структура данных, реализованная с использованием массивов и используемая для реализации приоритетных очередей.
• B-Tree и B+ Tree используются для реализации индексации в базах данных.
• Синтаксическое дерево помогает при сканировании, анализе, генерации кода и оценке арифметических выражений в проектах компилятора.
• KD Tree — это дерево разбиения пространства, используемое для организации точек в K-мерном пространстве.
• Связующие деревья, используемые в маршрутизаторах в компьютерных сетях.

Применение дерева в реальной жизни

• В реальной жизни древовидная структура данных помогает в разработке игр.
• Также это помогает в индексации базы данных.
• Деревья решений — это эффективный инструмент машинного обучения, обычно используемый при анализе решений.
• Дерево помогает понять данные с помощью блок-схемы.
• Сервер доменных имен также использует древовидную структуру данных.
• Наиболее распространенный вариант использования дерева в любых социальных сетях.

Graph

Граф — это нелинейная структура данных, состоящая из узлов и ребер. Граф состоит из конечных наборов вершин и наборов ребер, соединяющих пару узлов. Граф используется для решения самых сложных и сложных задач программирования. Граф имеет различные термины: путь, степень, смежные вершины, связанные компоненты и т. д.

Характеристики графика

Граф имеет различные характеристики, которые заключаются в следующем:

• Максимальное расстояние от всех вершин считается эксцентриситетом этой вершины.
• Вершина с минимальным эксцентриситетом считается центральной точкой графа.
• Минимальное значение эксцентриситета от всех вершин считается радиусом связного графа.

Приложения графика:

Различные приложения Graph:

• График используется для представления потока вычислений.
• Используется при моделировании графов.
• Операционная система использует график распределения ресурсов.
• Также используется во всемирной паутине, где веб-страницы представляют собой узлы.

Реальные приложения графа:

• Одним из самых реальных примеров графа является карта Google, где города расположены как вершины, а пути — как ребра графа.
• Социальная сеть также является одним из реальных примеров графа, где каждый человек в сети является узлом, а все дружеские отношения в Instagram формируют ребра графа.
• Граф также используется для изучения молекул в физике и химии.

Вывод

Хотя это наиболее широко известные и используемые структуры данных, существуют и другие формы структур данных, которые также используются в компьютерных науках, такие как структуры данных на основе политик и т. д. Но независимо от того, какую структуру данных вы выберете, каждая из них имеет его преимущества и недостатки, без знания которых выбор неправильного типа структуры данных может обойтись очень дорого. Поэтому очень важно понять необходимость ситуации, а затем решить, какая структура данных лучше всего подходит для работы.