Data structures là gì? Cách phân loại cấu trúc dữ liệu

Data structures là gì?

Data structures nghĩa là cấu trúc dữ liệu. Đây là cách lưu trữ, tổ chức các dữ liệu một cách khoa học, có thứ tự, có hệ thống để các dữ liệu này có thể được sử dụng một cách tối ưu và hiệu quả.

Dưới đây là hai khái niệm quan trọng, là nền tảng để hình thành nên một cấu trúc dữ liệu hoàn chỉnh:

• Interface: Mỗi cấu trúc dữ liệu đều sẽ có một Interface. Interface biểu diễn một loại tập hợp những phép tính mà một dạng cấu trúc dữ liệu hỗ trợ. Một Interface sẽ chỉ cung cấp những danh sách các phép tính được hỗ trợ, những loại tham số mà chúng có thể hoàn toàn chấp nhận và kiểu kết quả trả về của những phép tính này.
• Implementation (có thể hiểu là sự triển khai): Cung cấp sự biểu diễn kết quả nội bộ của một loại cấu trúc dữ liệu. Implementation cũng được cung cấp một phần định nghĩa của những giải thuật được sử dụng ở trong các phép tính khác nhau của cấu trúc dữ liệu.

Đặc điểm của Data structures

Data structures có những đặc điểm như sau:

• Chính xác: Sự triển khai của các Cấu trúc dữ liệu nên được triển khai Interface của nó một cách đúng và chính xác.
• Độ phức tạp về thời gian : Thời gian chạy dữ liệu hoặc thời gian thực thi của những phép tính của các cấu trúc dữ liệu sẽ phải là quy mô nhỏ nhất có thể.
• Độ phức tạp về bộ nhớ : Sự sử dụng bộ nhớ của mỗi một phép tính của cấu trúc dữ liệu cần phải là có nhỏ nhất có thể.

Cấu trúc dữ liệu được sử dụng để làm gì?

Cấu trúc dữ liệu cung cấp một cách hiệu quả để lưu trữ và truy cập một lượng lớn dữ liệu. Các lĩnh vực lập trình ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như AI, cơ sở dữ liệu và các lĩnh vực khác, nghiên cứu vấn đề lưu trữ dữ liệu hiệu quả.

Cấu trúc dữ liệu, cùng với các thuật toán của chúng, là cốt lõi của bất kỳ chương trình nào. Cấu trúc dữ liệu được tổ chức tốt giúp thiết kế các thuật toán có cấu trúc và giảm độ phức tạp về thời gian và bộ nhớ.

Phân loại cấu trúc dữ liệu

Các cấu trúc dữ liệu khác nhau cung cấp nhiều cách khác nhau để lưu trữ và truy cập dữ liệu. Mỗi loại cấu trúc dữ liệu phù hợp với một loại vấn đề cụ thể.

Tùy thuộc vào biểu diễn trong bộ nhớ, cấu trúc dữ liệu được chia thành hai loại:

Cấu trúc dữ liệu tuyến tính 

Cấu trúc dữ liệu tuyến tính được sắp xếp trên một mức duy nhất một cách tuần tự (tuyến tính). Cấu trúc dữ liệu dễ thực hiện và duyệt qua vì nó bắt chước cách sắp xếp bộ nhớ máy tính. Cấu trúc dữ liệu tuyến tính phân nhánh thành hai danh mục con dựa trên các thay đổi cấp phát bộ nhớ:

Cấu trúc dữ liệu tĩnh có kích thước cố định. Các phần tử có thể thay đổi thứ tự, nhưng việc cấp phát bộ nhớ cho cấu trúc dữ liệu vẫn giữ nguyên. Một ví dụ cấu trúc dữ liệu tĩnh là một mảng.

Cấu trúc dữ liệu động có kích thước mô-đun. Thay đổi thời gian chạy cho phép thay đổi kích thước cấu trúc dữ liệu. Ví dụ về cấu trúc dữ liệu động bao gồm các hàng, ngăn xếp và danh sách.

Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính 

Đây là cấu trúc được sắp xếp theo nhiều cấp độ khác nhau không theo trình tự. Cấu trúc dữ liệu này tập trung vào việc sử dụng bộ nhớ hiệu quả nhưng khó thực hiện và khó duyệt hơn. Ví dụ như cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính bao gồm nhiều loại cây và đồ thị.

Tại sao Data structures cấu trúc dữ liệu là cần thiết ?

Ngày nay, những ứng dụng, phần mềm được sử dụng ngày càng phức tạp và lượng dữ liệu cũng ngày càng lớn hơn với nhiều kiểu mẫu đa dạng. Việc này làm xuất hiện ra 3 vấn đề lớn mà mỗi người lập trình viên cần phải đối mặt:

• Tìm kiếm thông tin dữ liệu: Giả sử như có 1 triệu sản phẩm, hàng hóa được lưu trữ vào ở trong cùng một kho hàng hóa. Và giả sử có một ứng dụng cần sử dụng để có thể tìm kiếm được một loại hàng hóa nhất định. Thì mỗi khi thực hiện tìm kiếm, ứng dụng này sẽ phải tìm kiếm 1 hàng hóa trong 1 triệu hàng hóa. Khi dữ liệu tăng lên thì việc tìm kiếm sẽ càng trở lên chậm và tốn kém hơn.
• Tốc độ của bộ vi xử lý: Mặc dù bộ vi xử lý này có tốc độ xử lý rất cao, tuy nhiên đây cũng là giới hạn và khi lượng thông tin dữ liệu có thể lên tới hàng tỷ bản ghi thì tốc độ xử lý công việc cũng sẽ không còn được kịp thời, nhanh nhạy nữa.
• Đa yêu cầu: Khi hàng nghìn người cùng dùng cùng một ứng dụng để thực hiện một phép tính nhằm tìm kiếm một dữ liệu ở trên một Web Server thì cho dù Web Server đó có tốc độ nhanh đến mấy thì việc phải xử lý hàng triệu hàng nghìn phép tính trong cùng một lúc thực sự sẽ là một điều rất khó.

Để có thể xử lý được những vấn đề nói trên, các loại cấu trúc dữ liệu sẽ là một giải pháp vô cùng tuyệt vời. Dữ liệu có thể được phân loại, tổ chức trong một cấu trúc dữ liệu theo một cách cụ thể để khi thực hiện tìm kiếm một loại phần tử nào đó thì dữ liệu thông tin yêu cầu sẽ được ngay lập tức tìm thấy.

Các loại cấu trúc dữ liệu

Mỗi loại cấu trúc dữ liệu cung cấp những tính năng độc đáo khác nhau. Biết được sự khác biệt giữa các loại cấu trúc dữ liệu chính giúp chọn giải pháp phù hợp cho một vấn đề nhất định. Dưới đây là tổng quan ngắn gọn về các loại cấu trúc dữ liệu cơ bản với các ví dụ và trường hợp sử dụng.

Array - Mảng

Array là một cấu trúc dữ liệu bao gồm một chuỗi các phần tử cùng loại. Đó là một trong những cách cơ bản nhất để thiết lập cấu trúc dữ liệu trong lập trình, đó là lý do tại sao Array xuất hiện trong hầu hết các ngôn ngữ lập trình. Thứ tự tuần tự của dữ liệu phản ánh trong việc đánh số các phần tử của mảng từ đầu đến cuối. Số thứ tự được gọi là các chỉ số.

Mỗi mảng sẽ có một tên, biểu thị tất cả các phần tử trong chuỗi. Để truy cập các mục riêng lẻ, hãy sử dụng tên của mảng và chỉ mục của phần tử.

Hai tính năng chính của mảng là:

• Các phần tử mảng phải cùng loại, bất kể độ phức tạp. Đặc điểm này cho phép tồn tại mảng nhiều chiều (mảng mà các phần tử đã là mảng). 
• Độ dài của một mảng được biết trước và không thể thay đổi.

Do hai tính năng này, việc biểu diễn một mảng trong bộ nhớ là một tuần tự đơn giản. Tổng bộ nhớ mà một mảng chiếm bằng độ dài của mảng nhân với kích thước của từng phần tử.

Thời gian cần thiết để truy cập bất kỳ phần tử nào từ mảng là không đổi. Các thuật toán để đọc hoặc viết các phần tử là các hướng dẫn đơn vị dựa trên những điều sau:

• Địa chỉ của thành phần đầu tiên.
• Các chỉ số.
• Kích thước của một phần tử.

Mảng cho phép lập chỉ mục hiệu quả và truy cập ngẫu nhiên, đó là lý do tại sao chúng thường xuất hiện trong việc lập trình.

Tránh sử dụng mảng khi:

• Các yếu tố có nhiều loại khác nhau.
• Tổng kích thước của một mảng là không xác định.
• Truy cập dữ liệu trung tâm xảy ra thường xuyên.

List - Danh sách

Danh sách hoặc danh sách được liên kết là một cấu trúc dữ liệu bao gồm một chuỗi các phần tử cùng loại. Không giống như mảng, dữ liệu trong danh sách kết nối thông qua các chỉ báo.

Hầu hết các ngôn ngữ lập trình hiện đại đều thực hiện danh sách thông qua con trỏ. Mỗi phần tử chứa một đối tượng (nút) với hai trường. Các lĩnh vực bao gồm như sau:

• Dữ liệu của bất kỳ loại dữ liệu nào (một khóa).
• Một con trỏ tới nút sau trong danh sách.

Một con trỏ bên ngoài giúp truy cập toàn bộ danh sách và trỏ đến phần tử đầu tiên trong danh sách. Một con trỏ có giá trị để biểu thị phần tử cuối cùng trong danh sách hoặc trong danh sách trống. Danh sách liên kết kép có các con trỏ ở cả hai đầu của khóa. Con trỏ đầu tiên trỏ đến dữ liệu trước đó, trong khi con trỏ thứ hai trỏ đến phần tử tiếp theo.

Thực hiện thao tác một con trỏ ở mỗi bên cho phép duyệt qua danh sách theo cả hai hướng. Việc truy cập dữ liệu từ một danh sách được thực hiện ở hai bên của bất kỳ phần tử nào. Danh sách dễ dàng chuyển đổi và thao tác bằng cách sử dụng con trỏ. Thực hiện thao tác chèn hoặc xóa phần tử yêu cầu định tuyến lại con trỏ thay vì di chuyển dữ liệu. Sử dụng danh sách khi các thao tác như sắp xếp lại, chèn và xóa diễn ra thường xuyên.

Stack - Ngăn xếp

Ngăn xếp là một chuỗi các phần tử được xếp chồng lên nhau và các ngăn xếp hoạt động theo giống như một chồng khay.  Việc thêm hoặc xóa các phần tử xảy ra từ đỉnh ngăn xếp, làm cho nó trở thành cấu trúc LIFO (Last In, First Out). Phần tử được thêm vào cuối cùng cũng là phần tử đầu tiên bị xóa. Việc thêm một phần tử vào ngăn xếp được gọi là đẩy, trong khi loại bỏ được gọi là bật.

Các loại dữ liệu khác giúp triển khai ngăn xếp thông qua các giới hạn cụ thể. Ví dụ:

Ngăn xếp các danh sách: Ngăn xếp là một loại danh sách trong đó các phần tử chỉ có thể được thêm hoặc xóa khỏi phần cuối của danh sách bằng các thao tác đẩy và bật.

Ngăn xếp các mảng: Một ngăn xếp dễ dàng chuyển thành một mảng, trong đó phần tử cuối cùng có giá trị chỉ số cao nhất. Việc theo dõi giá trị chỉ mục cho phép kiểm tra bổ sung các lỗi tràn và tràn.

Sử dụng ngăn xếp cho bất kỳ dữ liệu nào cần đảo ngược thứ tự, chẳng hạn như đảo ngược từ, quay lại trạng thái hoặc bước trước đó, v.v.

Queue - Hàng đợi

Hàng đợi là một loại cấu trúc dữ liệu tuần tự với các phần tử được xếp hàng. Hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu FIFO (First In, First Out) khi nói đến việc thêm và xóa các phần tử. Queue cho phép ta thêm 1 phần tử vào hàng đợi (enqueue), lấy 1 phần tử ra khỏi hàng đợi (dequeue). Các phần tử nhập trước sẽ được đưa ra trước, nên được gọi là First In First Out (FIFO).

Graph - đồ thị

Đồ thị là cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính bao gồm các đỉnh (nút, điểm) được kết nối bởi các cạnh (liên kết, đường). Biểu đồ nhằm biểu thị mối quan hệ giữa các điểm dữ liệu riêng lẻ.

Tree - cây

Cây là cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính thực hiện mối quan hệ phân cấp giữa các phần tử. Mục lục trong sách là một ví dụ về cấu trúc dạng cây.

Với nội dung bài viết trên đây bạn đã có thể hiểu thêm về data structures là gì cũng như cách phân loại chúng. Data structures có vai trò rất quan trọng trong việc sắp xếp các thông tin dữ liệu.