Was ist eine Datenstruktur und wie funktioniert sie?

Die meisten Menschen bezeichnen Daten als Computerinformationen, unabhängig davon, ob sie übertragen oder gespeichert werden. Aber auch Zahlen oder Texte auf einem Blatt Papier, Bits und Bytes in einem elektronischen Speichergerät oder Tatsachen im menschlichen Gehirn können als Daten klassifiziert werden. Datenstruktur bezieht sich auf eine Sammlung von Fakten und Zahlen, eine Reihe von Werten oder Werten eines bestimmten Formats, die auf eine genaue Kombination von Elementen verweisen.

Was ist eine Datenstruktur: Eine genaue Definition

Eine Datenstruktur ist eine professionelle Methode zum Speichern, Organisieren, Verarbeiten und Abrufen von Daten. Es gibt verschiedene Arten von Strukturen, mit denen Daten für verschiedene Zwecke angeordnet werden können. Dies erleichtert den Benutzern den Zugriff auf die benötigten Daten.

A Die Datenstruktur organisiert die Informationen so, dass sie sowohl für Maschinen als auch für Menschen leicht verständlich sind. In der Informatik und Programmierung werden Datenstrukturen entworfen, um mit bestimmten Algorithmen verwendet zu werden. Jede Struktur enthält Informationen über Datenwerte, Datenbeziehungen sowie Funktionen, die auf die Daten angewendet werden können.

Typen und Beispiele von Datenstrukturen

Datenstrukturen werden unterschiedlich verwendet, um sowohl mathematische als auch logische Probleme in unserem täglichen Leben zu lösen. Mit der Verwendung einer Datenstruktur kann man innerhalb relativ kurzer Zeit eine sehr große Datenmenge organisieren und verwalten. Es gibt zwei Haupttypen von Datenstrukturen: primitiv und nicht-primitiv.

Primitiv

Diese Arten von Datenstrukturen arbeiten direkt, wie die Maschine sie anweist. Sie enthalten nur einen Wert und bestehen unter anderem aus Datentypen wie Float, Int, Pointers und Double.

Non-Primitive

Dies sind komplexe Typen von Datenstrukturen, die ihren Ursprung haben primitive. Sie werden in lineare und nichtlineare Datenstrukturen eingeteilt.

Lineare Datenstrukturen

Gut organisierte Datenstrukturen sind der Schlüssel zum Entwurf effizienter Algorithmen.

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In linearen Daten Struktur werden die Daten linear oder sequentiell angeordnet, wobei das aktuelle Element immer an sein vorheriges und nächstes Element angehängt wird. Die lineare Datenstruktur kann statisch sein, wobei die Daten eine feste Speichergröße haben, was den Zugriff auf die Elemente erleichtert, oder dynamisch sein, wobei die Speichergröße nicht festgelegt ist, was zufällige Aktualisierungen der Daten ermöglicht.

Die lineare Datenstruktur besteht aus Folgendem:

Arrays

Dies ist eine lineare Datenstruktur, in der Elemente gesammelt und in angrenzenden Speicherorten gespeichert werden. Die Hauptidee ist, alle gleichen Datentypen an einem Ort zusammen zu haben. Dadurch kann eine große Datenmenge in sehr kurzer Zeit verarbeitet werden.

Arrays haben unterschiedliche Operationen wie unter anderem Suchen, Einfügen, Sortieren und Löschen. Unten sind Operationen aufgeführt, die in einem Array ausgeführt werden:

Traverse – Die Elemente durchgehen, bevor sie gedruckt werden.Suchen – Ein tiefes Eintauchen nach Elementen innerhalb des Arrays. Die Elemente können nach ihrem Index oder Wert gesucht werden.Aktualisieren – Halten der vorhandenen Elemente innerhalb eines bestimmten Index auf dem neuesten Stand.

Das Einfügen und Löschen von Elementen innerhalb des Arrays ist nicht möglich, da alle Elemente eine feste Größe haben. Wenn man ein Element einfügen oder löschen möchte, muss ein neues Array erstellt und die Größe erhöht werden.

Anwendung von Arrays Wird verwendet, um Matrixprobleme zu lösen. Implementierung von Datenbankeinträgen. Wird verwendet, um die CPU zu planen Array von RedenEin mehrdimensionales Array wird verwendet, um den Computerbildschirm anzuzeigen.Verwendet in Verwaltungssystemen wie einer Bibliothek, Studentenportalen und dem Parlament.Um Bilder in einer anderen Dimension zu speichern Standorte. Alle Elemente sind hier über Verweise oder Zeiger verknüpft. Verkettete Listen werden als einfach verkettete Liste, doppelt verkettete Liste, kreisförmig verkettete Liste und doppelt verkettete verkettete Liste kategorisiert. Diese Datenstruktur verwendet zusätzlichen Speicher zum Speichern der Links.

Einfach verknüpfte Liste – Elemente können nur in Vorwärtsrichtung durchlaufen werden.Doppelt verknüpfte Liste – Elemente können sowohl rückwärts als auch vorwärts durchlaufen werden. Knoten haben einen zusätzlichen Zeiger mit dem Namen PREV, der auf den vorherigen Knoten zeigt.Kreisverknüpfte Listen – Der PREV-Zeiger zeigt auf das Ende und der Nächste-Zeiger auf den Kopf der Knoten. Verknüpfte Listenoperationen Suchen – Finden Sie das erste Element, das einen bestimmten Schlüssel enthält, aus den zugewiesenen verknüpften Listen mithilfe der linearen Suche. Einfügen – Fügen Sie einen Schlüssel in die verknüpfte Liste ein. Dies kann am Anfang der Liste, am Ende oder in der Mitte der Liste erfolgen. Löschen – Dies entfernt ein bestimmtes Element aus einer bestimmten Liste. Das Löschen kann nur in drei Schritten erfolgen: Löschen vom Anfang, vom Ende und von der Mitte der Liste. Anwendungen, die in der Round-Robin-Planung verwendet werden, um die Runde in Multiplayer-Spielen zu verfolgen. Sie speichern zuvor besuchte Webseiten. Zeigen Social-Media-Feeds an. Stacks. Die Reihenfolge lautet: „Wer als Letzter reinkommt, kommt zuerst“. Hier können Daten nur von einer Seite eingegeben und abgerufen werden, was als Push-and-Pop-Operation bezeichnet wird. Operationen, die unter dem Stapel ausgeführt werden, sind Rekursion, Sortieren, Löschen und vieles mehr.

Stapeloperationen Push – Dies fügt ein Element oben in die Stapel ein.Pop strong> – Das oberste Element wird gelöscht und dann zurückgegeben.Peek – Das oberste Element zurückgeben, ohne es zu löschen.isEmpty – Bestätigen, dass die Stapel leer sind.isFull – Prüfen, ob die Stacks voll sind. Anwendungen Anrufprotokolle auf Mobiltelefonen verwenden eine Stack-Datenstruktur Browser verwenden Stacks, um eine Liste aller zuvor besuchten Seiten zu führen Verwendet in der Speicherverwaltung Konvertieren von Infix-in Postfix-Ausdrücken bestimmte Reihenfolge „first in, first out“, um seine Operationen durchzuführen. Alle Daten, die zuerst sortiert wurden, sind zuerst zugänglich, und das Eingeben und Abrufen von Daten erfolgt von mehreren Seiten.

Ein gutes Beispiel ist eine Warteschlange für einen bestimmten Verbraucher; die Person, die zuerst kam, wird immer zuerst bedient. Um hier auf eine Datei zuzugreifen, müssen Sie alle Dateien entfernen, die davor hinzugefügt wurden.

Operationen in der Warteschlange Enqueue – Ein Element hinzufügen, das sich am Ende der Warteschlange befindetDequeue – Ein Element löschen, das sich am Anfang der Warteschlange befindet

Nicht-lineare Datenstruktur

Dies ist die zweite Art von nicht-primitiver Datenstruktur, bei der die Datenelemente nicht sequentiell sind. Hier ist es schwierig, alle Elemente auf einmal zu navigieren. Sie bestehen aus Folgendem:

Baum In einem Datenbaum kann jedes Kind wie der Wurzelknoten seines eigenen Unterbaums behandelt werden, was die Rekursion zu einer nützlichen Technik zum Durchlaufen des Baums macht.

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Das ist eine nichtlineare Datenstruktur, in der Elemente in einer baumartigen Struktur angeordnet sind, wobei der oberste Knoten als Wurzelknoten bezeichnet wird. Jeder Knoten enthält eine Vielzahl unsortierter Daten.

Es besteht aus zentralen Knoten, strukturellen Knoten und Unterknoten. Diese Knoten werden über Kanten verbunden. Binärer Baum, binärer Suchbaum, AVL-Baum und B-Baum sind die verschiedenen Arten von baumähnlichen.

Attribute des binären Suchbaums Schlüssel – Der Wert, der innerhalb des Knotens gespeichert wirdLeft – Zeiger zeigen auf das linke KindRight – Zeiger zeigen auf das rechte KindP – Zeiger auf den Mutterknoten Anwendungen Hilft bei der SpielentwicklungIndizierung von DatenbankenDomänenname ServerSocial-Networking-Sites Graphen

Dies ist eine nichtlineare Datenstruktur mit Ecken und Kanten. Es hat eine begrenzte Anzahl von Scheitelpunkten und Kanten, die die Knoten verbinden. Diese Datenstruktur wird hauptsächlich verwendet, um Programmierprobleme zu lösen, die komplex und herausfordernd sind. Der Scheitelpunkt mit der geringsten Exzentrizität wird als Mittelpunkt des Graphen betrachtet.

Gerichtete Graphen – Wenn die Richtungen aller Kanten den Anfangs-und den Endscheitel angeben.

Ungerichtete Graphen – Alle Kanten haben keine bestimmte Richtung. Eine Kante, die mit nichts im Graphen verbunden ist, wird als isoliert betrachtet.

Anwendungen Verwendet, um den Berechnungsfluss darzustellen. Verwendet in der Modellierung von Graphen. Verwendet, um Webseiten und Google-Links durch die Suchmaschine darzustellen. Graphen zur Ressourcenzuordnung werden in Betriebssystemen verwendet

Dies ist eine Datenstruktur, die Werte mit denselben Schlüsselzuordnungen speichert. Die Suche ist aufgrund der Beziehung zwischen den Schlüsseln effizient. Aufgrund dieser Tatsache ist es effizient beim Suchen und Einfügen, ohne die Größe der Daten zu berücksichtigen.

Hash-Tabellen haben eine Funktion namens Hash-Funktion (h), die verwendet wird, um die oben genannten Probleme zu überwinden.

Anwendungen von Hash-Tabellen Implementierung von DatenbankindexImplementierung von assoziativen Arrays Implementierung von Datenstrukturen festlegen

How to Wählen Sie eine Datenstruktur

Datenstrukturen werden je nach Betrieb und Komplexität der Anwendung oder der in Entwicklung befindlichen Software ausgewählt. Unterschiedliche Datenstrukturen bieten unterschiedliche Lösungen und daher ist es ratsam, die bequemste Datenstruktur und einen Ingenieur zu wählen.

Operationen

Es ist von größter Bedeutung zu verstehen, welche Operation von der Datenstruktur ausgeführt werden soll, wie Abrufen, Löschen, Aktualisieren, Einfügen und Durchlaufen. Welche Operation wird häufig durchgeführt? Welche Operation wird überhaupt nicht verwendet?

Diese Arten von Fragen helfen festzustellen, ob die Datenstruktur alle Ihre Anforderungen erfüllt und ob Sie mehrere Strukturen kombinieren können, um alle Ihre Anforderungen zu erfüllen, sowie zu bestätigen, ob die Strukturen bei der Verwendung schnell oder langsam sein werden.

Komplexität

Hier stellt sich die Frage, welche Datenstruktur am nützlichsten und effizientesten ist, wenn sie groß ist. Eine gute Datenstruktur sollte in der Lage sein, jede Größe der Struktur oder Daten zu handhaben.

Speicherkontrolle

Statische Speicherdatenstrukturen nehmen bei ihrer Installation eine feste Menge an Speicher und begrenzen die Menge der hinzuzufügenden Daten. Andererseits geben dynamische Datenstrukturen dem Benutzer das Mandat, Speicher zuzuweisen, freizugeben und neu zuzuweisen, wenn das Programm verwendet wird. Programme wie Python und JavaScript übernehmen jedoch die Datenzuordnung für den Benutzer unabhängig von der Art der verwendeten Struktur.

Verwendung von Datenstrukturen

Sehen wir uns unten die Anwendung von Datenstrukturen an.

Datenimplementierung

Das Implementieren einer Struktur bedeutet, eine logische Methode zu konstruieren, um die zugehörigen Daten für einen ordnungsgemäßen Zugriff zu interpretieren oder zu ordnen.

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Datenstrukturen werden hauptsächlich bei der Umsetzung abstrakter Daten in die physische Form verwendet. Dies macht sie zu einem wichtigen Bestandteil beim Erstellen und Ausführen effektiver Software. Sie helfen auch beim Entwurf von Algorithmen. Mehrere frühe Programmiersprachen wie C und C++ gaben Programmierern die Möglichkeit, ihre Datenstrukturen zu skizzieren.

Datenspeicherung

Softwareentwickler verwenden Algorithmen, die vollständig mit der Art von Datenstrukturen gekoppelt sind, die sie wünschen, wie Listen und Warteschlangen. Datenstrukturen werden auch zum Speichern von Daten verwendet. Sie spezifizieren die Sammlung von Merkmalen und die Strukturen, die zum Speichern von Datensätzen in einem Datenbanksystem verwendet werden.

Sie verwalten auch Ressourcen und Dienste. Die Ressourcen und Dienste des Betriebssystems werden durch die Verwendung von Datenstrukturen aktiviert, wie z. B. verknüpfte Listen von Speicherzuweisungen.

Daten sortieren und ordnen

Datenstrukturen werden zum Sortieren und Ordnen von Daten verwendet. Eine Datenstruktur, wie z. B. ein binärer Suchbaum, bietet eine effiziente Möglichkeit zum Sortieren von Daten, die als Tags verwendet werden. Schließlich verwenden große Datenanwendungen und Software Datenstrukturen, um Daten, die auf verschiedenen Datenstandorten gespeichert sind, zuzuordnen und zu verwalten und so maximale Skalierbarkeit und Leistung sicherzustellen.

Bedeutung von Datenstrukturen

Es hilft effektives Datenmanagement. Eine durchdachte und kluge Datenstrukturauswahl kann die Leistung eines Algorithmus oder Computerprogramms verbessern und es nützlicher machen.

Umgang mit Komplexität

Ein Anstieg der Computerprogrammierung und der Anstieg der Datennutzung kann die Ausführung einiger Anwendungen beeinträchtigen und die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die Suche nach Daten und die Verarbeitung mehrerer Anfragen verringern. Um dieser Bedrohung Herr zu werden, werden Datenstrukturen verwendet, damit der Computer effektiver läuft.

Systematische Nutzung des Speichers

Optimierung tritt auf, wenn Datenstrukturen den Speicher strukturieren. Beispielsweise kann man verknüpfte Listen und Arrays verwenden, wenn man sich über die Größe der Daten nicht sicher ist. Die Daten können auch gelöscht werden, wenn sie nicht mehr verwendet werden.

Fähigkeit zur Wiederverwendung

Sobald eine bestimmte Datenstruktur gestartet wurde, kann sie an jeder diskreten Position wiederverwendet werden. Diese Implementierungen können in Bibliotheken eingefügt werden, die es verschiedenen Clients ermöglichen, sie zu verwenden.

Abstraktion

Eine Datenstruktur ist die Grundlage abstrakter Datentypen. Beim abstrakten Datentyp sollen die Operationen verstanden werden.

Es ist wichtig, die passendste Datenstruktur für die zu bearbeitenden Daten zu wählen. Eine ungeeignete Datenstruktur kann dazu führen, dass ein Programm langsam läuft oder der Code nicht reagiert. Berücksichtigen Sie vor der Auswahl der richtigen Datenstruktur die folgenden Fragen:

Welche Art von Informationen werden dort gespeichert? Wie werden die gespeicherten Informationen verwendet? Wo sollen die Daten aufbewahrt werden, nachdem sie entworfen oder erstellt wurden? Gibt es eine bessere Möglichkeit, die Daten zu organisieren?

Datentypen

Wenn Datenstrukturen die Blöcke sind, die die Basis der Computerprogramme bilden, dann sind Datentypen die Blöcke, die Datenstrukturen aufbauen. Zu den verschiedenen Datentypen gehören:

Boolean – Dies ist der Speicher für die logischen Werte von wahr oder falsch.Ganzzahlen – Sie variieren in der Größe und enthalten a große Bandbreite an Werten. Beispielsweise enthält eine 8-Bit-Ganzzahl Werte zwischen 128 und 127.Gleitkommazahlen – Sie speichern die Darstellung reeller Zahlen in Formeln.Zeiger – Dies sind die Referenz Punkte, die auf andere Werte verweisen. String – Dies stellt ein Array von Zeichen dar, denen ein Stoppcode folgt, normalerweise mit dem Wert „0“.

Reale Anwendungen von Datenstrukturen

Wenn Sie sich etwas im Fernsehen ansehen, ist diese Anzeige ein mehrdimensionales Array. Die Nummerierung von Fragen während einer Online-Prüfung, bei der Sie keine Zahl überspringen können, ist eine Anwendung von Arrays. Die Anordnung von Buchtiteln in einem digitalen Bibliotheksverwaltungssystem ist eine Anwendung von Arrays. Wird im Bildbetrachter verwendet, wo die vorherigen und nächsten Bilder durch die Schaltflächen „Zurück“ und „Weiter“ verknüpft sind der nächste. Ein Plattenstapel verwendet Stapel. Die Schaltflächen „Wiederherstellen“ und „Rückgängig machen“ in Microsoft Word sind Anwendungen von Stapeln. Dies sind Stapel. Der Browserverlauf besuchter Webseiten ist ein Beispiel für verwendete Stapel. Drucker, Autowaschanlagen und Hochzeits-E-Mails verwenden die Warteschlangenstruktur. Wissenschaftliche Berechnungen und das Ranking von Seiten verwenden eine Diagrammstruktur.

Schlussfolgerung

Wie Daten organisiert sind, wird als Datenstruktur bezeichnet. Die Struktur ermöglicht es dem Benutzer auch, auf eine bestimmte Weise mit den Daten zu interagieren. Die Wahl der richtigen Datenstruktur wird durch das Programm und den Algorithmus bestimmt, mit dem man arbeitet. Die Auswahl der richtigen Datenstruktur ist für jeden Softwareentwickler sehr wichtig.

Was ist eine Datenstruktur und wie funktioniert sie? FAQs (Frequently Asked Questions)

Was sind Datenstrukturen und warum sind sie wichtig?

Datenstrukturen sind eine Möglichkeit, Daten in einem Computerprogramm, damit es effizient zugänglich und manipulierbar ist. Sie sind wichtig, weil sie eine schnellere und effektivere Datenverarbeitung ermöglichen, was für viele Anwendungen unerlässlich ist.

Was sind die am häufigsten verwendeten Datenstrukturen?

Zu den am häufigsten verwendeten Datenstrukturen gehören Arrays, verknüpfte Listen, Stapel, Warteschlangen, Bäume und Diagramme. Jede dieser Datenstrukturen hat ihre eigenen Stärken und Schwächen und eignet sich für unterschiedliche Datentypen und Anwendungen.

Wie unterscheiden sich Datenstrukturen von Algorithmen?

Während sich Datenstrukturen damit befassen, wie Daten organisiert und gespeichert werden, befassen sich Algorithmen damit, wie Daten verarbeitet und manipuliert werden. Mit anderen Worten, Datenstrukturen bilden die Grundlage für die Arbeit von Algorithmen.

Wie hoch ist die Zeitkomplexität einer Datenstrukturoperation?

Die Zeitkomplexität einer Datenstrukturoperation bezieht sich darauf, wie viel Zeit benötigt wird, um diese Operation durchzuführen. Dies ist wichtig, da es uns ermöglicht, die Effizienz verschiedener Datenstrukturen und Algorithmen zu bewerten und die beste für eine bestimmte Aufgabe auszuwählen.

Wie hängen Datenstrukturen mit der Speicherverwaltung zusammen?

Datenstrukturen sind eng mit der Speicherverwaltung verbunden, da sie bestimmen, wie Daten im Speicher gespeichert werden. Eine effiziente Speicherverwaltung ist für eine gute Leistung unerlässlich, und die Auswahl der richtigen Datenstruktur kann dazu beitragen, die Speichernutzung zu minimieren und die Programmgeschwindigkeit zu optimieren.