Cấu trúc dữ liệu là gì? Cách sử dụng cấu trúc dữ liệu

Để quản lý tốt bộ nhớ, thì các dữ liệu cần được tổ chức một cách khoa học nhất, dễ có thể sử dụng dễ dàng và hiệu quả cao. Vì thế bài viết hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về 1 cách lưu trữ được ứng dụng nhiều hiện nay: “Cấu trúc dữ liệu”.

Cấu trúc dữ liệu là một cách để lưu trữ và tổ chức dữ liệu để nó có thể được sử dụng một cách hiệu quả.

I. Cấu trúc dữ liệu là gì?

1. Cấu trúc dữ liệu      

Tên cấu trúc dữ liệu đã thể hiện lên chính bản chất của nó là một hình thức tổ chức dữ liệu trong bộ nhớ. Có nhiều cách tổ chức dữ liệu trong bộ nhớ như chúng ta đã thấy một trong các cấu trúc dữ liệu, tức là mảng trong ngôn ngữ C. 

Mảng là một tập hợp các phần tử bộ nhớ trong đó dữ liệu được lưu trữ tuần tự, tức là cái này đến cái khác. Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng mảng lưu trữ các phần tử một cách liên tục. Việc tổ chức dữ liệu này được thực hiện với sự trợ giúp của một mảng cấu trúc dữ liệu. Cũng có những cách khác để sắp xếp dữ liệu trong bộ nhớ. 

Cấu trúc dữ liệu không phải là ngôn ngữ lập trình như  C, C ++ hay  java, … Nó là một tập hợp các thuật toán mà chúng ta có thể sử dụng trong bất kỳ các ngôn ngữ lập trình, để cấu trúc dữ liệu trong bộ nhớ.

Để cấu trúc dữ liệu trong bộ nhớ, ‘n’ số thuật toán đã được đề xuất và tất cả các thuật toán này được gọi là kiểu dữ liệu trừu tượng. Các kiểu dữ liệu trừu tượng này là tập hợp các quy tắc.

2. Các hoạt động chính

Các hoạt động chính hoặc phổ biến có thể được thực hiện trên cấu trúc dữ liệu là:

• Tìm kiếm: Chúng ta có thể tìm kiếm bất kỳ phần tử nào trong cấu trúc dữ liệu.
• Sắp xếp: Chúng ta có thể sắp xếp các phần tử của cấu trúc dữ liệu theo thứ tự tăng dần hoặc giảm dần.
• Chèn: Chúng ta cũng có thể chèn phần tử mới vào cấu trúc dữ liệu.
• Cập nhật : Chúng tôi cũng có thể cập nhật phần tử, tức là, chúng tôi có thể thay thế phần tử bằng một phần tử khác.
• Xóa: Chúng ta cũng có thể thực hiện thao tác xóa để xóa phần tử khỏi cấu trúc dữ liệu.

II. Các loại cấu trúc dữ liệu cơ bản

Bất kỳ thứ gì có thể lưu trữ dữ liệu đều có thể được gọi là cấu trúc dữ liệu, do đó Integer, Float, Boolean, Char, v.v., tất cả đều là cấu trúc dữ liệu. Chúng được gọi là Cấu trúc dữ liệu nguyên thủy .

Sau đây, chúng tôi cũng có một số Cấu trúc dữ liệu phức tạp, được sử dụng để lưu trữ dữ liệu lớn và kết nối dữ liệu. Một số ví dụ về Cấu trúc dữ liệu trừu tượng như:

• Dạng danh sách: Lists
• Dạng cây: Trees
• Dạng sơ đồ, đồ thị : Graphs
• Dạng gói, ngăn xếp: Stacks …

Tất cả các cấu trúc dữ liệu này cho phép chúng ta thực hiện các hoạt động khác nhau trên dữ liệu. Để chọn các cấu trúc dữ liệu này chúng ta có thể dựa trên loại yêu cầu hoạt động.

1. Phân loại cấu trúc dữ liệu theo đặc tính

Cấu trúc dữ liệu cũng có thể được phân loại dựa trên các đặc tính sau:

Đặc tính	Sự miêu tả
Tuyến tính (Linear)	Trong cấu trúc dữ liệu tuyến tính, các mục dữ liệu được sắp xếp theo một trình tự tuyến tính. Ví dụ: Array(mảng)
Không tuyến tính (Non-Linear)	Trong cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính, các mục dữ liệu không theo trình tự. Ví dụ: Tree(cây) , Graph( Đồ thị)
Đồng nhất (Homogeneous)	Trong cấu trúc dữ liệu đồng nhất, tất cả các phần tử có cùng kiểu. Ví dụ: Array(mảng)
Không đồng nhất (Non-Homogeneous )	Trong cấu trúc dữ liệu không đồng nhất, các phần tử có thể có hoặc không cùng kiểu. Ví dụ: Structures(Cấu trúc)
Tĩnh (Static)	Cấu trúc dữ liệu tĩnh là những kích thước và cấu trúc của các vị trí bộ nhớ được cố định vào lúc biên dịch. Ví dụ: Array(mảng)
Động (Dynamic)	Cấu trúc động là những thứ mở rộng hoặc thu lại tùy thuộc vào chương trình cần và thực hiện. Ngoài ra, các vị trí trí nhớ liên quan của chúng thay đổi. Ví dụ: Danh sách liên kết được tạo bằng con trỏ.

 

2. Các loại cấu trúc dữ liệu

Các loại cấu trúc dữ liệu được xác định bởi loại thao tác cần thiết hoặc loại thuật toán nào sẽ được áp dụng. Những loại này bao gồm:

• Mảng (array) : Mảng lưu trữ một tập hợp các mục tại các vị trí bộ nhớ liền kề. Các mục cùng loại được lưu trữ cùng nhau, để có thể tính toán hoặc truy xuất vị trí của từng phần tử một cách dễ dàng. Mảng có thể được cố định hoặc có chiều dài linh hoạt.
• Ngăn xếp (Stacks) : Ngăn xếp lưu trữ một tập hợp các mục theo thứ tự tuyến tính mà các phép toán được áp dụng. Thứ tự này có thể là xuất trước (LIFO) hoặc nhập trước xuất trước ( FIFO).
• Hàng đợi (Queues) : Hàng đợi lưu trữ một tập hợp các mục tương tự như một ngăn xếp; tuy nhiên, thứ tự hoạt động chỉ có thể có nhập trước xuất trước.
• Danh sách liên kết (Linked lists) : Danh sách liên kết lưu trữ một bộ sưu tập các mục theo thứ tự tuyến tính. Mỗi phần tử, hoặc nút, trong danh sách được liên kết chứa một mục dữ liệu cũng như một tham chiếu hoặc liên kết đến mục tiếp theo trong danh sách.
• Cây(Trees) : Một cây sẽ lưu trữ một bộ sưu tập các mục theo cách trừu tượng, theo phân cấp và có thứ bậc. Mỗi nút được liên kết với các nút khác và có thể có nhiều giá trị phụ, còn được gọi là con.
• Đồ thị (Graphs) : Một đồ thị lưu trữ một bộ sưu tập các mục theo kiểu phi tuyến tính. Đồ thị được tạo thành từ một tập hợp hữu hạn các nút, còn được gọi là các đỉnh và các đường nối chúng, còn được gọi là các cạnh. Chúng rất hữu ích để biểu diễn các hệ thống trong đời thực như mạng máy tính.
• Cây tìm kiếm (Tries) : cây từ khóa là một cấu trúc dữ liệu lưu trữ các chuỗi dưới dạng các mục dữ liệu có thể được tổ chức trong một đồ thị trực quan.
• Bảng băm(Hash tables) : Một bảng băm, hoặc một bản đồ băm, lưu trữ một bộ sưu tập các mục trong một mảng kết hợp để vẽ các khóa cho các giá trị. Bảng băm sử dụng hàm băm để chuyển đổi một chỉ mục thành một mảng các nhóm có chứa mục dữ liệu mong muốn.

III. Cách sử dụng cấu trúc dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu được sử dụng để triển khai các dạng vật lý của kiểu dữ liệu trừu tượng. Điều này có thể được dịch thành nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như hiển thị cơ sở dữ liệu quan hệ dưới dạng cây nhị phân (binary tree).

Trong ngôn ngữ lập trình, các cấu trúc dữ liệu được dùng để tổ chức mã và thông tin trong không gian kỹ thuật số.

Ví dụ: Danh sách và từ điển Python hoặc mảng và đối tượng JavaScript là cấu trúc mã hóa phổ biến được sử dụng để lưu trữ và truy xuất thông tin. Cấu trúc dữ liệu cũng là một phần quan trọng để thiết kế phần mềm hiệu quả.

IV. Tầm quan trọng của cấu trúc dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu rất cần thiết để quản lý một lượng lớn dữ liệu, chẳng hạn như thông tin được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu hoặc dịch vụ lập chỉ mục, một cách hiệu quả. Việc bảo trì hệ thống dữ liệu thích hợp đòi hỏi phải xác định được phân bổ bộ nhớ, mối quan hệ giữa các dữ liệu và các quá trình dữ liệu, tất cả đều giúp cấu trúc dữ liệu.

Ngoài ra, điều quan trọng không chỉ là sử dụng cấu trúc dữ liệu mà điều quan trọng là phải chọn cấu trúc dữ liệu thích hợp cho mỗi tác vụ. Việc chọn cấu trúc dữ liệu không phù hợp có thể dẫn đến thời gian chạy chậm hoặc mã không phản hồi. Một số yếu tố cần xem xét khi chọn cấu trúc dữ liệu bao gồm loại thông tin nào sẽ được lưu trữ, dữ liệu hiện có nên được đặt ở đâu, dữ liệu nên được sắp xếp như thế nào và nên dành bao nhiêu bộ nhớ cho dữ liệu.

Bài viết trên là các thông tin khái quát về khái niệm, phân loại, ưu nhược điểm và cách sử dụng khái quát nhất về cấu trúc dữ liệu. Hy vọng những phần chia sẻ của chúng tôi phía trên có thể giúp bạn hiểu thêm về chúng.