В меню кабинета | Структуры данных

Структуры данных

Содержание

Понятие структуры данных

Необходимым условием построения алгоритма является формализация данных, т.е. приведение информации к некоторой информационной модели (см. “Информационные модели”), уже описанной и исследованной. Когда такая модель найдена, говорят, что определена абстрактная структура данных.

Абстрактная структура данных описывает признаки и свойства объекта, взаимосвязь между элементами объекта, а также возможные операции над данным объектом или классом объектов.

Одной из задач информатики является нахождение форм представления информации, удобных для компьютерной обработки. Информатика как точная наука работает с формальными (описанными математически строго) объектами. Такими объектами — базовыми абстрактными структурами данных, используемыми в информатике, являются:

· целые числа;

· вещественные числа;

· символы;

· логические значения.

Для компьютерной обработки этих объектов в языках программирования существуют соответствующие типы данных (см. “Типы данных”). Базовые объекты можно объединять в более сложные структуры, добавляя операции уже над структурой в целом и правила доступа к отдельным элементам этой абстрактной структуры данных.

К таким абстрактным структурам данных относятся:

· векторы (конечные массивы);

· таблицы (матрицы), а в общем случае — многомерные массивы;

· графы;

· динамические структуры:

- последовательности символов, чисел;

- строки;

- списки;

- очереди;

- стеки;

- деревья;

- графы.

Удачный выбор структуры данных часто является залогом создания эффективного алгоритма и программы, его реализующей: используя аналогию структур данных и реальных объектов, можно находить эффективные решения задач.

Заметим, что перечисленные структуры существуют независимо от их реализации при программировании. С этими структурами данных работали и в XVIII, и в XIX веках, когда еще не придумали вычислительную машину. Мы можем разрабатывать алгоритм в терминах абстрактной структуры данных, но для реализации алгоритма в конкретном языке программирования необходимо найти способ ее представления в терминах типов данных и операторов, поддерживаемых данным языком программирования (см. “Операторы языка программирования”). Для компьютерного представления абстрактных структур используются структуры данных, которые представляют собой набор переменных, возможно различных типов данных, объединенных определенным образом. Для конструирования таких структур, как вектор, таблица, строка, последовательность, в большинстве языков программирования присутствуют стандартные типы данных: одномерный массив, двухмерный массив, строка, файл (реже список) соответственно. Организацию остальных структур данных, в первую очередь динамических структур, размер которых меняется во время выполнения программы, программисту приходится осуществлять самостоятельно, используя базовые типы данных. Рассмотрим такие структуры подробнее.

Списки

Линейный список — последовательность линейно связанных элементов, для которых разрешены операции добавления элементов в произвольное место списка и удаление любого элемента. Линейный список однозначно задается указателем на начало списка. Типовыми операциями над списками являются: обход списка, поиск заданного элемента, вставка элемента сразу после или перед определенным элементом, удаление заданного элемента, объединение двух списков в один, разбиение одного списка на два и более списков и т.п.

В линейном списке для каждого элемента, кроме первого, есть предыдущий элемент; для каждого элемента, кроме последнего, есть следующий элемент. Таким образом, все элементы списка упорядочены. Однако обработка линейного односвязного списка не всегда удобна, т.к. отсутствует возможность движения в противоположную сторону — от конца списка к началу. В линейном списке можно обойти все элементы, только двигаясь последовательно от текущего элемента к следующему, начиная с первого, прямой доступ к i-му по счету элементу невозможен.

Пример 1. Порядок следования записей фамилий читателей в компьютере библиотекаря определяет отношение “предыдущий–следующий”. Как правило, сами записи имеют дополнительное свойство — они упорядочены по алфавиту. Над этим списком реализованы операции добавления нового читателя и, при необходимости, удаления старого. Если к тому же ведутся записи выданных каждому читателю книг, то каждую такую запись удобно представлять опять же с помощью списка выданных книг.

Кольцевые списки — такая же структура, как и линейный список, но имеющая дополнительную связь между последним и первым элементом, то есть следующим за последним элементом является первый элемент.

В кольцевом списке в отличие от линейного все элементы равноправны (поскольку для каждого элемента определены и предыдущий, и следующий элементы). Выделение “первого” и “последнего” элементов в кольцевом списке весьма условно, так как собственно структура списка не имеет явно выделенных элементов!

Пример 2. Во многих играх дети используют считалочки, чтобы выбрать ведущего, разделиться на команды и т.п. Как правило, считалочки длинные, и дети (сами того не зная) организуют кольцевой список. Отношение “предыдущий–следующий” определяется тем, в какую сторону ведущий считает. Типичная операция в такой структуре — удаление элемента из списка с сохранением его кольцевой структуры.

Линейные списки, в которых операции вставки, удаления и доступа к значениями элементов выполняются только с крайними элементами (первым или последним), получили специальные названия.

Стек — частный случай линейного односвязного списка, для которого определены две операции: добавление элемента в вершину стека (перед первым элементом) и удаление элемента из вершины стека (удаление первого элемента).

Пример 3. Рассмотрим задачу определения сбалансированности скобок различных видов в арифметическом выражении. Например, требуется проанализировать, сбалансированы ли скобки в выражении, содержащем круглые и квадратные скобки: ? Для решения этой задачи будем использовать динамическую структуру данных стек. Приведем алгоритм решения этой задачи по шагам. Будем использовать следующие обозначения:

i — номер анализируемого символа;

n — количество символов в выражении.

1. i = 0.

2. i = i + 1.

3. Если i n, то переход на п. (4), иначе если стек пуст, то выдаем сообщение “скобки сбалансированы”, в противном случае выдаем сообщение “скобки не сбалансированы”. Конец алгоритма.

4. Если i-й символ отличен от символов скобок, то переход на п. (2).

5. Если i-й символ равен “(” или “[”, то помещаем его в стек, переход на п. (2).

6. Если i-й символ равен “)”, то проверяем вершину стека: если в вершине стека находится “(”, то извлекаем ее из стека; переход на п. (2), иначе выдаем сообщение “скобки не сбалансированы”. Конец алгоритма.

7. Если i-й символ равен “]”, то проверяем вершину стека: если в вершине стека находится “[”, то извлекаем ее из стека; переход на п. (2), иначе выдаем сообщение “скобки не сбалансированы”. Конец алгоритма.

Очередь — частный случай линейного односвязного списка, для которого разрешены только две операции: добавление элемента в конец (хвост) очереди и удаление элемента из начала (головы) очереди.

Понятие очереди действительно очень близко к бытовому термину “очередь”. Очередь покупателей в магазине хорошо описывается в терминах этой структуры данных.

Деревья

Дерево — это совокупность элементов, называемых узлами, в которой выделен один элемент (корень), а остальные элементы разбиты на непересекающиеся множества (поддеревья), каждое из которых является деревом, при этом корень каждого поддерева является потомком корня дерева, т.е. все элементы связаны между собой отношением (предок–потомок). В результате образуется иерархическая структура узлов. Узлы, которые не имеют ни одного потомка, называются листьями. Над деревом определены следующие операции: добавление элемента в дерево, удаление элемента из дерева, обход дерева, поиск элемента в дереве.

Пример 4. Дерево является наиболее удобной структурой данных для представления генеалогического дерева, с помощью которого можно решать задачи определения степени родства между двумя людьми.

Используются деревья и для определения выигрышной стратегии в играх (см. статью “Игры. Выигрышные стратегии”), и для построения различных информационных моделей (см. “Информационные модели”).

Особенно важную роль в информатике играют так называемые бинарные деревья.

Двоичное (бинарное) дерево — частный случай дерева, в котором каждый узел может иметь не более двух потомков, являющихся корнями левого и правого поддерева.

Если дополнительно для узлов дерева выполняется условие, что все значения элементов левого поддерева меньше значения корня дерева, а все значения элементов правого поддерева больше значения корня, то такое дерево называется деревом бинарного поиска и предназначено для быстрого поиска элементов. Алгоритм поиска в таком дереве работает так: искомое значение сравнивается со значением корня дерева, и в зависимости от результата сравнения поиск либо заканчивается, либо продолжается только в левом или только в правом поддереве соответственно. Общее количество операций сравнения не будет превосходить так называемую высоту дерева — максимальное количество элементов на пути от корня дерева к одному из листьев. Так, высота изображенного на рисунке дерева равна 4.

Графы

Граф — это множество элементов, называемых вершинами графа вместе с набором отношений между этими вершинами, называемых ребрами графа. Графической интерпретацией этой структуры данных является множество точек, соответствующих вершинам, некоторые пары из которых соединены линиями или стрелками, которые соответствуют ребрам. В последнем случае граф называется ориентированным (см. также статьи “Графические модели” и “Табличные модели”).

В силу того, что с помощью графов можно описывать объекты произвольной структуры, графы являются основным средством для описания структур сложных объектов и функционирования систем. Например, для описания вычислительной сети, транспортной системы, иерархической структуры (дерево является одной из разновидностей графа). Блок-схемы алгоритмов (см. “Способы записи алгоритмов”) также представляют собой графы.

Если каждому ребру к тому же приписано некоторое число (вес), то такой граф называют взвешенным. Например, при описании с помощью графа системы дорог России важным является длина дороги (вес ребра графа), соединяющей те или иные населенные пункты (вершины графа). При этом на рисунке длины соответствующих ребер не обязаны соответствовать приписанным им весам, в отличие от карты дорог.

Пример 5. В терминах взвешенного графа удобно решать следующую задачу. Правительство России составляет план строительства современных автомагистралей, соединяющих города, население которых превышает миллион человек. Какие именно дороги следует построить, чтобы из любого такого города можно было добраться в любой другой по новым автомагистралям, а общая длина дорог была бы минимальной?

Эта задача в теории графов имеет простое и точное решение. Мы можем начать планирование сети дорог, начиная с любого города, например, Санкт-Петербурга. Соединим его с ближайшим городом-миллионником. Далее на каждом шаге к имеющейся сети добавляется кратчайшая дорога, которой можно соединить город, еще не присоединенный к сети, с одним из городов, уже включенных в сеть. Количество дорог будет, таким образом, на единицу меньше, чем число городов.

Абстрактную структуру данных — граф — в программе можно представить несколькими способами, т.е. используя разные типы данных. Например, граф можно описывать с помощью списка ребер, задавая каждое ребро парой вершин и, при необходимости, весом. Наибольшее распространение получило табличное хранение графа (см. “Табличные модели”), называемое также матрицей смежности, т.е. двухмерного массива, скажем, A, где для невзвешенного графа (или 1), если ребро между вершинами i и j существует, и (или 0) в противном случае. Для взвешенного графа A[i][j] равно весу соответствующего ребра, а отсутствие ребра в ряде задач удобно обозначать бесконечностью. Для неориентированных графов матрица смежности всегда симметрична относительно главной диагонали (i = j). C помощью матрицы смежности легко проверить, существует ли в графе ребро, соединяющее вершину i с вершиной j. Основной же ее недостаток заключается в том, что матрица смежности требует, чтобы объем памяти был достаточен для хранения N ² значений для графа, содержащего N вершин, даже если ребер в графе существенно меньше, чем N ².

Методические рекомендации

При объяснении понятия структуры данных можно воспользоваться следующей иллюстрацией.

При решении любой задачи возникает необходимость работы с данными и выполнения операций над ними. Набор этих операций для каждой задачи, вообще говоря, свой. Однако, если некоторый набор операций часто используется при решении различных задач, то полезно придумать способ организации данных, позволяющий выполнять именно эти операции как можно эффективнее. После того, как такой способ придуман, при решении конкретной задачи можно считать, что у нас в наличии имеется “черный ящик” (его мы и будем называть структурой данных), про который известно, что в нем хранятся данные некоторого рода, и который умеет выполнять некоторые операции над этими данными. Это позволяет отвлечься от деталей и сосредоточиться на характерных особенностях задачи. Внутри (т.е. в компьютере) этот “черный ящик” может быть реализован различным образом, при этом следует стремиться к как можно более эффективной (быстрой и экономично расходующей память) реализации.

Государственный образовательный стандарт предусматривает изучение различных структур данных как в базовом курсе основной школы, так и в старших классах. В курсе программирования основной школы в Примерной программе упоминаются в качестве обрабатываемых объектов цепочки символов (строки), числа, списки, деревья, графы. Однако в практических работах из данных сложной структуры упоминается только массив (см. статью “Операции с массивами”). В основной школе остальные структуры, видимо, имеет смысл изучать в первую очередь при построении графических и других моделей (см. раздел IV энциклопедии).

Примерная программа для профильной школы предполагает работу с числами, матрицами, строками, списками, деревьями. В качестве простой иллюстрации работы со списками можно выбрать организацию стека с помощью одномерного массива и целочисленной переменной, указывающей на вершину стека (“дно” стека при этом всегда находится в первом элементе массива). Помимо приведенной в статье задачи проверки скобок на сбалансированность, можно изучить работу стекового калькулятора на примере алгоритма перевода арифметического выражения в обратную польскую запись (постфиксную запись) из привычной нам инфиксной записи и дальнейшее вычисление значения арифметического выражения.

Бинарное дерево также легко представить в памяти компьютера с помощью одномерного массива, при этом в первом элементе массива будет храниться корень дерева, а потомки узла дерева, хранящегося в i-м элементе массива, будут располагаться в 2i-м и (2i + 1)-м элементах соответственно. Если потомок у узла отсутствует, то соответствующий элемент будет равен, например, 0. Рекурсивная процедура обхода дерева t и печати его элементов в этом случае будет выглядеть так:

procedure order(i:integer);

begin

if t[i] <> 0 then

begin

writeln(t[i]);

order(2*i);

order(2*i + 1)

end

end;

О реализации списков и массивов с помощью динамических переменных можно прочитать, например, в классической книге Н.Вирта “Алгоритмы и структуры данных”.

В программу для профильной школы включены и алгоритмы на графах. В частности, упоминается поиск кратчайшего пути в графе. Для невзвешенного графа решать эту задачу можно, например, с использованием алгоритма “поиска в ширину”, когда сначала помечаются вершины графа, соединенные ребром с исходной вершиной, затем все вершины, соединенные с помеченными, и т.д. Для взвешенного графа чаще всего используют алгоритм Дийкстры (см., например, статью Е.В. Андреевой “Олимпиады по информатике. Пути к вершине”, “Информатика” № 8/2002). Знание таких алгоритмов необходимо для успешного решения олимпиадных задач по информатике. Так, на IV федеральном окружном этапе Всероссийской олимпиады по информатике 2007 г. предлагалась задача “Окопы и траншеи”, решение которой как раз и сводилось к поиску кратчайшего пути во взвешенном графе.