Структура данных — 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. Структура данных часто является реализацией какого-либо абстрактного типа данных.
Рис. 1 Бинарное дерево, простой пример ветвящейся связной структуры данных.
При разработке программного обеспечения большую роль играет проектирование хранилища данных и представление всех данных в виде множества связанных структур данных. Хорошо спроектированное хранилище данных оптимизирует использование ресурсов (таких как время выполнения операций, используемый объём оперативной памяти, число обращений к дисковым накопителям), требуемых для выполнения наиболее критичных операций.
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.
Многие классические структуры данных представлены в стандартных библиотеках языков программирования или непосредственно встроены в языки программирования.
Фундаментальными строительными блоками для большей части структур данных являются массивы, записи (см. конструкцию struct в языке Си и конструкцию record в языке Паскаль), размеченные объединения (см. конструкцию union в языке Си) и ссылки. Например, структура данных двусвязный список, может быть построена с помощью записей и зануляемых ссылок, а именно, каждая запись будет предоставлять блок данных (узел, node), содержащий ссылки на «левый» и «правый» узлы, а также сами хранимые данные.
Статические структуры данных относятся к разряду непримитивных структур, которые, фактически, представляют собой структурированное множество примитивных, базовых, структур. Например, вектор может быть представлен упорядоченным множеством чисел. Поскольку по определению статические структуры отличаются отсутствием изменчивости, память для них выделяется один раз и ее объем остается неизменным до уничтожения структуры. Слово 'статический' относится скорее к реализации структуры.
Простейшая статическая структура данных – массив, где обращение к элементу происходит через его номер. Если рассматривать слово 'массив' как физическую структуру, реализованную в виде непрерывной области памяти, то номер соответствует смещению от начала области. В этом случае плюсов у массива всего два, но зато больших:
· доступ за константное время к любому элементу
· память тратится только на данные.
Минус – один, но тоже большой: статичность, неизменность структуры.
Динамические структуры по определению характеризуются отсутствием физической смежности элементов структуры в памяти, непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе ее обработки.
Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным. Элемент динамической структуры состоит из двух полей:
- информационного поля или поля данных, в котором содержатся те данные, ради которых и создается структура (в общем случае информационное поле само является интегрированной структурой – вектором, массивом, другой динамической структурой и т.п.)
- поля связок, в котором содержатся один или несколько указателей, связывающий данный элемент с другими элементами структуры.
Когда связное представление данных используется для решения прикладной задачи, для конечного пользователя "видимым" делается только содержимое информационного поля, а поле связок используется только программистом-разработчиком.
Достоинства связного представления данных:
в возможности обеспечения значительной изменчивости структур;
размер структуры ограничивается только доступным объемом машинной памяти;
при изменении логической последовательности элементов структуры требуется не перемещение данных в памяти, а только коррекция указателей;
большая гибкость структуры.
Вместе с тем, связное представление не лишено и недостатков, основные из которых:
- на поля связок расходуется дополнительная память;
- доступ к элементам связной структуры может быть менее эффективным по времени.
Последний недостаток является наиболее серьезным и именно им ограничивается применимость связного представления данных. Если в смежном представлении данных для вычисления адреса любого элемента нам во всех случаях достаточно было номера элемента и информации, содержащейся в дескрипторе структуры, то для связного представления адрес элемента не может быть вычислен из исходных данных. Дескриптор связной структуры содержит один или несколько указателей, позволяющих войти в структуру, далее поиск требуемого элемента выполняется следованием по цепочке указателей от элемента к элементу. Поэтому связное представление практически никогда не применяется в задачах, где логическая структура данных имеет вид вектора или массива - с доступом по номеру элемента, но часто применяется в задачах, где логическая структура требует другой исходной информации доступа (таблицы, списки, деревья и т.д.).
Списки
Списком называется упорядоченное множество, состоящее из переменного числа элементов, к которым применимы операции включения, исключения. Список, отражающий отношения соседства между элементами, называется линейным. Длина списка равна числу элементов, содержащихся в списке, список нулевой длины называется пустым списком. Линейные связные списки являются простейшими динамическими структурами данных.
Графически связи в списках удобно изображать с помощью стрелок. Если компонента не связана ни с какой другой, то в поле указателя записывают значение, не указывающее ни на какой элемент. Такая ссылка обозначается специальным именем - nil.
На рис. 2 приведена структура односвязного списка. На нем поле INF - информационное поле, данные, NEXT - указатель на следующий элемент списка. Каждый список должен иметь особый элемент, называемый указателем начала списка или головой списка, который обычно по формату отличен от остальных элементов. В поле указателя последнего элемента списка находится специальный признак nil, свидетельствующий о конце списка.
Рис. 2 Представление односвязного списка в памяти
Двусвязный список характеризуется наличием пары указателей в каждом элементе: на предыдущий элемент и на следующий.
Рис. 3 Представление двусвязного списка в памяти
Очевидный плюс тут в том, что от данного элемента структуры мы можем пойти в обе стороны. Таким образом, упрощаются многие операции. Однако на указатели тратится дополнительная память.
