O que é uma estrutura de dados e como ela funciona?

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A maioria das pessoas se refere aos dados como informações do computador, sejam elas transmitidas ou armazenadas. No entanto, números ou textos em um pedaço de papel, bits e bytes dentro de um dispositivo de memória eletrônica ou fatos dentro da mente humana também podem ser classificados como dados. A estrutura de dados refere-se a uma coleção de fatos e números, um conjunto de valores ou valores de formato distinto que fazem referência a uma combinação precisa de itens.

O que é uma estrutura de dados: uma definição exata

Uma estrutura de dados é uma maneira profissional de armazenar, organizar, processar e recuperar dados. Existem diferentes tipos de estruturas projetadas para organizar dados para diferentes propósitos. Isso facilita o acesso dos usuários aos dados de que precisam.

A A estrutura de dados organiza as informações de uma maneira que seja facilmente compreensível por máquinas e humanos. Em ciência da computação e programação, as estruturas de dados são projetadas para serem usadas com algoritmos específicos. Cada estrutura possui informações sobre valores de dados, relações de dados, bem como funções que podem ser aplicadas aos dados.

Tipos e exemplos de estruturas de dados

As estruturas de dados são usadas de maneira diferente para resolver problemas matemáticos e lógicos em nossas vidas diárias. Com o uso de uma estrutura de dados, pode-se organizar e operar uma quantidade muito grande de dados em um tempo relativamente curto. Existem dois tipos principais de estruturas de dados: primitivas e não primitivas.

Primitivas

Esses tipos de estruturas de dados operam diretamente, de acordo com o que a máquina as instrui a fazer. Eles mantêm apenas um valor e consistem em tipos de dados como float, int, ponteiros e double, entre outros.

Não-primitivo

São tipos complexos de estruturas de dados que se originam de primitivos. Eles são classificados em estruturas de dados lineares e não lineares.

Estruturas de dados lineares

Estruturas de dados bem organizadas são a chave para projetar algoritmos eficientes.

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Em dados lineares estrutura, os dados são organizados de forma linear ou sequencial, onde o elemento atual é sempre anexado aos seus elementos anteriores e posteriores. A estrutura de dados linear pode ser Estática, onde os dados possuem um tamanho de memória fixo facilitando o acesso aos elementos, ou Dinâmica, onde o tamanho da memória não é fixo, permitindo atualizações aleatórias dos dados.

A estrutura de dados linear consiste no seguinte:

Arrays

Esta é uma estrutura de dados linear na qual os itens são coletados e armazenados em locais de memória adjacentes. A ideia principal é ter todos os mesmos tipos de dados juntos em um só lugar. Isso permite que uma grande quantidade de dados seja processada em um tempo muito curto.

Os arrays têm diferentes operações, como pesquisar, inserir, classificar e excluir, entre outras. Abaixo estão as operações feitas em um array:

Percorrer – Percorrer os elementos antes de imprimi-los.Pesquisar – Fazer um mergulho profundo nos elementos dentro do array. Os elementos podem ser pesquisados ​​por seu índice ou valor.Atualizar – Manter os elementos existentes em um determinado índice atualizados.

A inserção e exclusão de elementos dentro do array não podem ser feitas, pois todos os elementos são de tamanho fixo. Se alguém deseja inserir ou excluir um elemento, é necessário criar um novo array e aumentar o tamanho.

Aplicação de arrays Usado para resolver problemas de matrizImplementação de registros de banco de dadosUsado para escalonar CPUAplicado como tabela de consulta em computadoresUsado para processar um array de discursosUm array multidimensional é usado para exibir a tela do computadorUsado em sistemas de gerenciamento como uma biblioteca, portais de estudantes e parlamentoPara salvar imagens em uma dimensão diferente Lista encadeada

Esta é uma estrutura de dados linear onde os elementos não são armazenados na memória contígua Localizações. Todos os elementos aqui estão ligados usando referências ou ponteiros. As listas encadeadas são categorizadas como lista encadeada simples, lista encadeada duplamente, lista encadeada circular e lista encadeada duplamente circular. Esta estrutura de dados usa memória extra para armazenar os links.

Ligação simples lista – Os itens só podem ser percorridos na direção direta.Lista duplamente vinculada – Os itens podem ser percorridos nas direções para trás e para frente. Os nós têm um ponteiro adicional chamado PREV, e ele aponta para o nó anterior.Listas vinculadas circulares – O ponteiro PREV aponta para a cauda e o próximo ponteiro para a cabeça do nós. Operações de lista vinculada Pesquisar – Encontre o primeiro elemento que contém uma chave específica das listas vinculadas atribuídas usando pesquisa linear.Inserir – Introduza uma chave na lista vinculada. Isso pode ser feito no início da lista, no final ou no meio da lista. Excluir – Isso remove um elemento específico de uma lista especificada. A exclusão só pode ser feita em três etapas: excluir do início, do final e do meio da lista. Aplicativos Usados ​​no agendamento Round-Robin para acompanhar a vez nos jogos multijogador Eles armazenam páginas da Web visitadas anteriormente Exibem feeds de mídia social Pilhas

Esta é uma estrutura de dados linear em que há uma ordem específica na qual cada operação é executada. A ordem é “o último a entrar é o primeiro a sair”. Aqui, os dados só podem ser inseridos e recuperados de uma extremidade, o que é chamado de operação push-and-pop. As operações executadas na pilha são recursão, classificação, exclusão e muito mais.

Operações de pilha Push – Inserir um elemento no topo das pilhas.Pop strong> – O elemento superior é excluído e, em seguida, retornado.Peek – Retorna o elemento superior sem excluí-lo.isEmpty – Confirma que as pilhas estão vazias.isFull – Verificando se as pilhas estão cheias. Aplicativos Registros de chamadas em telefones celulares usam uma pilha de estrutura de dados Os navegadores usam pilhas para manter uma lista de todos os sites visitados anteriormente Usado no gerenciamento de memória Converter infixo em expressões pós-fixadas Usado em reprodutores de mídia para reproduzir a próxima música  Fila

Esta é uma estrutura de dados linear que usa um ordem particular “primeiro a entrar, primeiro a sair” para executar suas operações. Todos os dados que foram classificados primeiro estarão acessíveis primeiro e a entrada e recuperação de dados é feita de várias extremidades.

Um bom exemplo é uma fila para um determinado consumidor; a pessoa que veio primeiro é sempre servida primeiro. Para acessar um arquivo aqui, você deve remover todos os arquivos que foram adicionados antes dele.

Operações na fila Enfileirar – Adicionar um elemento que está no final da filaDefilar – Excluir um elemento que está no início da fila

Estrutura de dados não linear

Este é o segundo tipo de estrutura de dados não primitiva em que os elementos de dados não são sequenciais. Aqui, é difícil navegar por todos os elementos de uma só vez. Eles consistem no seguinte:

Tree Em uma árvore de dados, cada filho pode ser tratado como o nó raiz de sua própria subárvore, o que torna a recursão uma técnica útil para percorrer a árvore.

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Isso é uma estrutura de dados não linear na qual os elementos são organizados em uma estrutura semelhante a uma árvore, com o nó superior referido como o nó raiz. Cada nó contém uma variedade de dados não classificados.

É composto por nós centrais, nós estruturais e sub-nós. Esses nós são conectados usando arestas. Árvore binária, árvore de pesquisa binária, árvore AVL e árvore B são os diferentes tipos de árvore.

Atributos da árvore de pesquisa binária Chave – O valor armazenado no nóEsquerda – Ponteiros apontando para o filho esquerdoDireita – Ponteiros apontando para o filho direitoP – Ponteiros apontando para o nó mãe Aplicativos Ajuda no desenvolvimento de jogosIndexação de bancos de dadosDomain Name Sites de redes sociais do servidor Gráficos

Esta é uma estrutura de dados não linear que possui vértices e arestas. Possui um número restrito de vértices e arestas que conectam os nós. Essa estrutura de dados é usada principalmente para resolver problemas de programação complexos e desafiadores. O vértice que tem a menor excentricidade é visto como o centro do gráfico.

Gráficos Direcionados – Quando todas as direções das arestas indicam o vértice inicial e final.

Gráficos não direcionados – Todas as arestas não possuem uma direção específica. Uma aresta que não está conectada a nada no grafo é considerada isolada.

Aplicativos Usados ​​para apresentar o fluxo de computaçãoUsados ​​em gráficos de modelagemUsados ​​para representar páginas da web e links do Google pelo mecanismo de pesquisaGráficos de alocação de recursos são usados ​​em sistemas operacionaisUma rede social onde os usuários são os nós e as amizades dentro da rede se tornam as bordasTabelas de hash

Esta é uma estrutura de dados que armazena valores com as mesmas associações de chave. É eficiente com pesquisa devido ao relacionamento entre as chaves. Devido a isso, é eficiente na busca e inserção, sem considerar o tamanho dos dados.

Tabelas hash têm uma função chamada função hash (h) que é usada para superar os problemas mencionados acima.

Aplicações de tabelas hash Implementação de índice de banco de dadosImplementação de matrizes associativasConfigurar implementação de estrutura de dados

Como fazer Escolha uma estrutura de dados

As estruturas de dados são escolhidas dependendo das operações e complexidade do aplicativo ou do software em desenvolvimento. Estruturas de dados diferentes oferecem soluções diferentes e, portanto, é aconselhável escolher a estrutura de dados mais conveniente e um engenheiro.

Operações

É fundamental entender qual operação você deseja que seja executada pela estrutura de dados, como recuperação, exclusão, atualização, inserção e travessia. Que operação será realizada com frequência? Qual operação não será usada?

Esses tipos de perguntas ajudam a identificar se a estrutura de dados atende a todas as suas necessidades e se você pode combinar várias estruturas para atender a todas as suas necessidades, além de confirmar se as estruturas serão rápidas ou lentas quando usadas.

Complexidade

A questão aqui é qual estrutura de dados será a mais útil e eficiente quando for grande. Uma boa estrutura de dados deve ser capaz de lidar com qualquer tamanho de estrutura ou dados.

Controle de memória

Estruturas de dados de memória estática ocupam uma quantidade fixa de memória após sua instalação e limitam a quantidade de dados a serem adicionados. Por outro lado, as estruturas de dados dinâmicas dão ao usuário o mandato de alocar, liberar e realocar memória quando o programa está em uso. No entanto, programas como Python e JavaScript fazem a alocação de dados para o usuário independentemente do tipo de estrutura que está sendo usada.

Usos de estruturas de dados

Vamos ver a aplicação de estruturas de dados abaixo.

Implementação de dados

Implementar uma estrutura significa construir uma maneira lógica de interpretar ou ordenar os dados relacionados para acesso adequado.

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Estruturas de dados são usadas principalmente na implementação de dados abstratos na forma física. Isso os torna uma parte vital da criação e execução de um software eficaz. Eles também ajudam no design do algoritmo. Várias linguagens de programação antigas, como C e C++, deram aos programadores a capacidade de delinear suas estruturas de dados.

Armazenamento de dados

Os engenheiros de software estão usando algoritmos totalmente acoplados ao tipo de estrutura de dados que desejam, como listas e filas. Estruturas de dados também são usadas para armazenar dados. Eles especificam a coleção de características e as estruturas usadas para armazenar registros em um sistema de banco de dados.

Eles também gerenciam recursos e serviços. Os recursos e serviços do sistema operacional são habilitados por meio do uso de estruturas de dados, como listas encadeadas de alocações de memória.

Classificar e ordenar dados

Estruturas de dados são usadas para classificar e ordenar dados. Uma estrutura de dados, como uma árvore de pesquisa binária, oferece uma maneira eficiente de classificar os dados usados ​​como tags. Por fim, aplicativos e softwares de dados grandes usam estruturas de dados para alocar e gerenciar dados armazenados em diferentes sites de dados, garantindo escalabilidade e desempenho máximos.

Importância das estruturas de dados

Ajuda na gestão de dados eficaz. Uma seleção criteriosa e sábia da estrutura de dados pode melhorar o desempenho de um algoritmo ou programa de computador, tornando-o mais útil.

Manipulação da complexidade

Um aumento na programação de computadores e no aumento do uso de dados pode afetar a execução de alguns aplicativos e diminuir a velocidade de processamento, pesquisa de dados e tratamento de várias solicitações. Para gerenciar essa ameaça, as estruturas de dados são usadas para ajudar o computador a funcionar com mais eficiência.

Uso sistemático da memória

A otimização ocorre quando os dados estruturam a memória. Por exemplo, pode-se usar listas encadeadas e arrays quando não se tem certeza do tamanho dos dados. Os dados também podem ser limpos quando não estiverem mais em uso.

Capacidade de reutilização

Depois que uma estrutura de dados específica for lançada, ela poderá ser reutilizada em qualquer posição discreta. Essas implementações podem ser colocadas em bibliotecas que permitem que diferentes clientes as usem.

Abstração

Uma estrutura de dados é a base dos tipos de dados que são abstratos. No tipo de dado abstrato, as operações devem ser compreendidas.

É importante escolher a estrutura de dados mais adequada para os dados a serem trabalhados. Uma estrutura de dados inadequada pode levar à lentidão na execução de um programa ou à falta de resposta do código. Antes de escolher a estrutura de dados correta, considere as seguintes questões:

Que tipo de informação será armazenada ali? existe uma maneira melhor de organizar os dados?

Tipos de dados

Se as estruturas de dados são os blocos que constroem a base dos programas de computador, então os tipos de dados são os blocos que constroem as estruturas de dados. Diferentes tipos de dados incluem:

Boolean – Este é o armazenamento para os valores lógicos do que é verdadeiro ou falso.Inteiros – Eles variam em tamanho e possuem um ampla gama de valores. Por exemplo, um número inteiro de 8 bits contém valores entre 128 e 127.Números de ponto flutuante – Armazenam a representação de números reais em fórmulas.Ponteiros – São a referência pontos que se referem a outros valores.String – Representa uma matriz de caracteres que são seguidos por um código de parada, geralmente de valor “0”.

Aplicações de estruturas de dados na vida real

Ao assistir algo na TV, essa exibição é uma matriz multidimensional.A numeração de perguntas durante um exame on-line em que você não pode pular um número é uma aplicação de matrizes.A disposição de títulos de livros em um sistema de gerenciamento de biblioteca digital é uma aplicação de matrizes. Usado no visualizador de imagens, onde as imagens anterior e seguinte são vinculadas pelos botões anterior e seguinte. Em uma lista de reprodução de música, a música atual que está sendo reproduzida é vinculada à anterior e o próximo.Uma pilha de pratos usa pilhas.Botões Refazer e Desfazer no Microsoft Word são aplicações de pilhas.Ao reduzir a força de trabalho, as empresas usam o critério do último contratado, primeiro demitido. São pilhas. O histórico do navegador de páginas da Web visitadas é um exemplo de pilhas em uso. Impressoras, lava-jato e e-mails de casamento usam a estrutura de fila. Cálculos científicos e a classificação de páginas empregam estrutura de gráfico.

Conclusão

Como os dados são organizados é chamado de estrutura de dados. A estrutura também permite que o usuário interaja com os dados de uma maneira especificada. A escolha da estrutura de dados correta é determinada pelo programa e pelo algoritmo com o qual se está trabalhando. Fazer a seleção correta da estrutura de dados é muito importante para todo engenheiro de software.

O que é uma estrutura de dados e como ela funciona? FAQs (Perguntas Frequentes) 

O que são estruturas de dados e por que elas são importantes?

As estruturas de dados são uma maneira de organizar e armazenar dados em um programa de computador para que possa ser acessado e manipulado de forma eficiente. Eles são importantes porque permitem um processamento de dados mais rápido e eficaz, o que é essencial para muitos aplicativos.

Quais são as estruturas de dados mais usadas?

Algumas das estruturas de dados mais usadas incluem arrays, listas encadeadas, pilhas, filas, árvores e gráficos. Cada uma dessas estruturas de dados tem seus próprios pontos fortes e fracos e é adequada para diferentes tipos de dados e aplicativos.

Como as estruturas de dados diferem dos algoritmos?

Enquanto as estruturas de dados se preocupam com a forma como os dados são organizados e armazenados, os algoritmos se preocupam com a forma como os dados são processados ​​e manipulados. Em outras palavras, as estruturas de dados fornecem a base para os algoritmos operarem.

Qual ​​é a complexidade de tempo de uma operação de estrutura de dados?

A complexidade de tempo de uma operação de estrutura de dados refere-se a quanto tempo leva para executar essa operação. Isso é importante porque nos permite avaliar a eficiência de diferentes estruturas de dados e algoritmos e escolher o melhor para uma determinada tarefa.

Como as estruturas de dados se relacionam com o gerenciamento de memória?

As estruturas de dados estão intimamente relacionadas ao gerenciamento de memória porque determinam como os dados são armazenados na memória. O gerenciamento eficiente da memória é essencial para um bom desempenho, e escolher a estrutura de dados correta pode ajudar a minimizar o uso da memória e otimizar a velocidade do programa.