Odabir prave strukture podataka može vaš program učiniti učinkovitijim. Evo vodiča koji će vam pomoći da napravite pravi izbor.

Odabir najbolje strukture podataka za vaše ciljeve može biti izazovan s više dostupnih opcija. Prilikom odabira strukture podataka, uzmite u obzir podatke s kojima ćete raditi, operacije koje će se izvršiti nad podacima i okruženje u kojem će se vaša aplikacija izvršavati.

Razumite svoje podatke

Razumijevanje podataka s kojima ćete raditi prije odabira strukture podataka ključno je. Uobičajene strukture podataka koji rade s različitim vrstama podataka uključuju nizove, povezane popise, stabla, grafikone i hash tablice.

Na primjer, kada trebate nasumično pristupiti elementima iz svojih podataka, nizovi bi mogli biti najbolji izbor. U slučaju da stalno morate dodavati ili brisati elemente s popisa, a veličina popisa se također može promijeniti, tada povezani popisi mogu biti posebno korisni.

Kada trebate učinkovito pohraniti više razina podataka, kao što su strukture zapisa, i izvršiti operacije poput pretraživanja i sortiranja, stabla su korisna.

Kada trebate opisati interakcije između entiteta, poput onih na društvenim mrežama, i izvršiti operacije poput najkraćeg puta i povezivanja, tada se preferiraju grafikoni. Hash tablice korisne su za brzo traženje ključeva.

Razmotrite operacije koje treba izvesti na podacima

Prilikom odabira strukture podataka, također morate uzeti u obzir operacije koje će se izvršiti nad podacima. Različite strukture podataka optimiziraju brojne radnje, poput sortiranja, pretraživanja, umetanja i brisanja.

Na primjer, povezani popisi bolji su za radnje poput umetanja i brisanja, ali su binarna stabla najbolja za pretraživanje i sortiranje. Raspršena tablica može biti najbolji izbor ako vaša aplikacija zahtijeva istovremeno umetanje i pretraživanje.

Ocijenite okolinu

Kada razmatrate strukturu podataka, morate procijeniti okruženje u kojem će se aplikacija izvoditi. Okolina utječe na to koliko su strukture podataka dobro i koliko brzo dostupne.

Razmotrite sljedeće čimbenike kada procjenjujete svoje trenutno stanje:

  1. Snaga obrade: Odaberite strukture podataka za svoje aplikacije koje dobro rade na računalima s malo procesorske snage dok rade na platformi. Na primjer, jednostavnije podatkovne strukture poput nizova mogle bi biti prikladnije od stabala ili grafikona.
  2. Konkurencija: Trebali biste odabrati podatkovnu strukturu sigurnu za niti koja može podnijeti simultani pristup bez oštećenja podataka; ako vaša aplikacija radi u konkurentnom okruženju, gdje više niti ili procesa istovremeno pristupa strukturi podataka. U ovom slučaju, strukture podataka bez zaključavanja kao što su ConcurrentLinkedQueue i ConcurrentHashMap mogu biti prikladniji od tradicionalnih kao što je ArrayListand HashMap.
  3. Kašnjenje mreže: Ako vaša aplikacija zahtijeva prijenos podataka preko mreže, morate uzeti u obzir kašnjenje mreže dok odlučujete o najboljoj strukturi podataka. U takvim situacijama korištenje podatkovne strukture koja ograničava mrežne pozive ili smanjuje količinu prijenosa podataka može poboljšati izvođenje.

Uobičajene strukture podataka i slučajevi njihove uporabe

Ovdje je sažetak nekoliko popularnih struktura podataka i njihove upotrebe.

  1. Nizovi: Ovo je jednostavna i učinkovita struktura podataka koja može sadržavati niz elemenata iste vrste podataka fiksne veličine. Da bi pravilno radili, potreban im je brz, izravan pristup određenim objektima putem indeksa.
  2. Povezani popisi: Povezane liste sastoje se od čvorova koji sadrže element i referencu na sljedeći čvor i/ili prethodni čvor. Zbog svojih učinkovitih operacija, povezani popisi su najprikladniji u situacijama koje zahtijevaju često umetanje ili brisanje elemenata. Međutim, pristup pojedinačnim elementima prema indeksu u povezanim popisima je sporiji u usporedbi s nizovima.
  3. Redovi i hrpe: Skupovi se pridržavaju pravila Last-In-First-Out (LIFO), gdje je zadnja umetnuta stavka prva uklonjena stavka. Redovi se ravnaju prema načelu prvi ušao prvi izašao (FIFO). gdje je prvi dodan element ujedno i prvi izbrisani.
  4. Hash tablice: Hash tablice oblik su strukture podataka koji sadrži parove ključ-vrijednost. Najbolje rješenje je korištenje hash tablica kada je broj komponenti nepredvidiv, a potreban vam je brz pristup vrijednostima po ključu.
  5. Drveće: Stabla su hijerarhijske strukture podataka koje mogu pohraniti grupu elemenata u hijerarhiji. Najbolja upotreba za stabla binarnog pretraživanja su u hijerarhijskim podatkovnim strukturama gdje odnosi između podatkovnih stavki mogu predstavljati strukturu poput stabla.

Odabir prave strukture podataka

Prije odabira strukture podataka, razmotrite podatke svoje aplikacije, obveze i okruženje. Dok birate, razmislite o sljedećim elementima:

  1. Vremenska složenost: Vremenska složenost strukture podataka može značajno utjecati na performanse vaše aplikacije. Ako vaša aplikacija zahtijeva česte operacije pretraživanja ili dohvaćanja, koristite podatkovnu strukturu smanjene vremenske složenosti, poput hash tablice.
  2. Složenost prostora: Složenost prostora strukture podataka još je jedno važno razmatranje. Ako vaša aplikacija zahtijeva mnogo memorije, odaberite podatkovnu strukturu s manje prostorne složenosti, kao što je polje. Ako prostor nije problem, možete koristiti strukturu podataka s većom prostornom složenošću, kao što je stablo.
  3. Čitaj vs. Pišite operacije: Ako vaša aplikacija koristi puno operacija pisanja, odaberite podatkovnu strukturu s bržim umetanjem, poput hash tablice. Ako vaša aplikacija zahtijeva mnogo operacija čitanja, odaberite strukturu podataka s bržom brzinom pretraživanja, kao što je binarno stablo pretraživanja.
  4. Vrsta podataka: Podaci s kojima radite također mogu utjecati na odabranu strukturu podataka. Na primjer, možete koristiti podatkovnu strukturu temeljenu na stablu ako su vaši podaci hijerarhijski. Ako imate jednostavne podatke kojima je potrebno pristupiti nasumično, odabir strukture podataka temeljene na nizu može biti najbolja opcija.
  5. Dostupne knjižnice: Razmotrite biblioteke koje su lako dostupne za strukturu podataka koju razmatrate. Moglo bi biti lakše izvršiti i održavati ako vaš programski jezik ima ugrađene biblioteke dostupne za određenu strukturu podataka.

Sljedeći primjer Pythona pokazuje kako odabrati najbolju strukturu podataka za određeni slučaj upotrebe.

Razmotrite slučaj u kojem razvijate aplikaciju datotečnog sustava koja mora pohranjivati ​​i dohvaćati datoteke u hijerarhiji. Morate odabrati strukturu podataka koja može učinkovito predstavljati ovu hijerarhijsku strukturu i brzo izvršavati operacije poput pretraživanja, umetanja i brisanja.

Mogla bi biti dobra ideja koristiti podatkovnu strukturu temeljenu na stablu kao što je binarno pretraživanje ili B-stablo. Ako je broj unosa u svakom direktoriju relativno mali i stablo nije jako duboko, binarno stablo pretraživanja bi dobro funkcioniralo. B-stablo bi bilo prikladnije za veći broj datoteka i dublje strukture direktorija.

Ispod je primjer stabla binarnog pretraživanja u Pythonu.

razredaČvor:
def__u tome__(ja, vrijednost):
 samo.vrijednost = vrijednost
 self.lijevo_dijete = Nijedan
 sebe.pravo_dijete = Nijedan


razredaBinarno stablo pretraživanja:


def__u tome__(sebe):
 self.root = Nijedan
defumetnuti(ja, vrijednost):


ako sam.korijen jeNijedan:
 self.root = čvor (vrijednost)


drugo:
 self._insert (vrijednost, self.root) 
def_umetnuti(ja, vrijednost, trenutni_čvor):


ako vrijednost < trenutni_čvor.vrijednost:
ako trenutni_čvor.lijevo_dijete jeNijedan:
 current_node.left_child = Čvor (vrijednost)


drugo:
 self._insert (vrijednost, current_node.left_child)
elif vrijednost > trenutni_čvor.vrijednost:
ako trenutni_čvor.desno_dijete jeNijedan:
 current_node.right_child = Čvor (vrijednost)
drugo:
 self._insert (vrijednost, current_node.right_child)


drugo:
 ispis("Vrijednost već postoji u stablu.")
deftraži(ja, vrijednost):
ako sam.korijen jeneNijedan:
povratak self._search (vrijednost, self.root)


drugo:
povrataklažno
def_traži(ja, vrijednost, trenutni_čvor):


ako vrijednost == trenutni_čvor.vrijednost:
povratakPravi


elif vrijednost < trenutni_čvor.vrijednost i trenutni_čvor.lijevo_dijete jeneNijedan:
povratak self._search (vrijednost, current_node.left_child)


elif vrijednost > trenutni_čvor.vrijednost i trenutni_čvor.desno_dijete jeneNijedan:
povratak self._search (vrijednost, current_node.right_child)
drugo:
povrataklažno

U ovoj implementaciji konstruirate dvije klase: a Binarno stablo pretraživanja klasa koja upravlja operacijama umetanja i pretraživanja i a Čvor klasa koja simbolizira čvor u stablu binarnog pretraživanja.

Dok metoda umetanja umeće novi čvor na odgovarajuće mjesto u stablu ovisno o njegovoj vrijednosti, metoda pretraživanja traži čvor s određenom vrijednošću. Vremenska složenost obje operacije u uravnoteženom stablu je O(log n).

Odaberite optimalnu strukturu podataka

Brzina i prilagodljivost vaše aplikacije mogu se znatno poboljšati strukturom podataka koju odaberete. Uzimanje u obzir vaših podataka, vaših operacija i vašeg okruženja može vam pomoći u odabiru najbolje strukture podataka.

Važna su razmatranja kao što su vremenska složenost, prostorna složenost, operacije čitanja u odnosu na pisanje, konkurentnost, tip podataka i pristupačnost biblioteci.

Procjenjujući težinu svake komponente, trebali biste odabrati strukturu podataka koja zadovoljava potrebe vaše aplikacije.