ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 13
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
При разработке программного обеспечения большую роль играет проектирование хранилища данных и представление всех данных в виде множества связанных структур данных.
Хорошо спроектированное хранилище данных оптимизирует использование ресурсов (таких как время выполнения операций, используемый объём оперативной памяти, число обращений к дисковым накопителям), требуемых для выполнения наиболее критичных операций.
Структуры данных формируются с помощью типов данных, ссылок и операций над ними в выбранном языке программирования.
Различные виды структур данных подходят для различных приложений; некоторые из них имеют узкую специализацию для определённых задач. Например, B-деревья обычно подходят для создания баз данных, в то время как хеш-таблицы используются повсеместно для создания различного рода словарей, например, для отображения доменных имён в интернет-адреса компьютеров.
При разработке программного обеспечения сложность реализации и качество работы программ существенно зависит от правильного выбора структур данных. Это понимание дало начало формальным методам разработки и языкам программирования, в которых именно структуры данных, а не алгоритмы, ставятся во главу архитектуры программного средства. Большая часть таких языков обладает определённым типом модульности, позволяющим структурам данных безопасно переиспользоваться в различных приложениях. Объектно-ориентированные языки, такие как Java, C# и C++, являются примерами такого подхода.
Многие классические структуры данных представлены в стандартных библиотеках языков программирования или непосредственно встроены в языки программирования. Например, структура данных хэш-таблица встроена в языки программирования Lua, Perl, Python, Ruby, Tcl и др. Широко используется стандартная библиотека шаблонов STL языка C++.
Фундаментальными строительными блоками для большей части структур данных являются массивы, записи (см. конструкцию struct в языке Си и конструкцию record в языке Паскаль), размеченные объединения (см. конструкцию union в языке Си) и ссылки. Например, структура данных двусвязный список, может быть построена с помощью записей и зануляемых ссылок, а именно, каждая запись будет предоставлять блок данных (узел, node), содержащий ссылки на «левый» и «правый» узлы, а также сами хранимые данные.
Статические структуры относятся к разряду непримитивных структур, которые представляют собой структурированное множество примитивных, базовых, структур. Например, вектор может быть представлен упорядоченным множеством чисел. Поскольку по определению статические структуры отличаются отсутствием изменчивости, память для них выделяется автоматически - как правило, на этапе компиляции или при выполнении - в момент активизации того программного блока, в котором они описаны. Выделение памяти на этапе компиляции является столь удобным свойством статических структур, что в ряде задач программисты используют их для представления объектов, обладающих изменчивостью. Например, когда размер массива неизвестен заранее, для него резервируется максимально возможный размер.
Статические структуры в языках программирования связаны со структурированными типами. Структурированные типы в языках программирования являются теми средствами интеграции, которые позволяют строить структуры данных сколь угодно большой сложности. К таким типам относятся: массивы, записи (в некоторых языках - структуры) и множества (этот тип реализован не во всех языках).
Векторы. Вектор (одномерный массив) - структура данных с фиксированным числом элементов одного и того же типа. Каждый элемент вектора имеет уникальный в рамках заданного вектора номер. Обращение к элементу вектора выполняется по имени вектора и номеру требуемого элемента.
Массивы. Логическая структура: массив - такая структура данных, которая характеризуется: фиксированным набором элементов одного и того же типа; каждый элемент имеет уникальный набор значений индексов; количество индексов определяют мерность массива (два индекса - двумерный массив, три индекса - трехмерный массив, один индекс - одномерный массив или вектор); обращение к элементу массива выполняется по имени массива и значениям индексов для данного элемента. Другими словами, массив - это вектор, каждый элемент которого - вектор.
Физическая структура - это размещение элементов массива в памяти ЭВМ. Многомерные массивы хранятся в непрерывной области памяти. Размер слота определяется базовым типом элемента массива. Количество элементов массива и размер слота определяют размер памяти для хранения массива. Принцип распределения элементов массива в памяти определен языком программирования. Так в FORTRAN элементы распределяются по столбцам - так, что быстрее меняется левые индексы, в PASCAL - по строкам - изменение индексов выполняется в направлении справа налево.
Множества. Логическая структура: Множество - такая структура, которая представляет собой набор неповторяющихся данных одного и того же типа. Множество может принимать все значения базового типа. Базовый тип не должен превышать 256 возможных значений. Поэтому базовым типом множества могут быть byte, char и производные от них типы.
Физическая структура: Множество в памяти хранится как массив битов, в котором каждый бит указывает является ли элемент принадлежащим объявленному множеству или нет. Т.о. максимальное число элементов множества 256, а данные типа множество могут занимать не более 32-ух байт.
Числовые множества. Стандартный числовой тип, который может быть базовым для формирования множества - тип byte.
Символьные множества. Символьные множества хранятся в памяти также как и числовые множества. Разница лишь в том, что хранятся не числа, а коды ASCII символов.
Множество из элементов перечислимого типа. Множество, базовым типом которого есть перечислимый тип, хранится также, как множество, базовым типом которого является тип byte. Но, в памяти занимает место, которое зависит от количества элементов в перечислимом типе.
Множество от интервального типа. Множество, базовым типом которого есть интервальный тип, хранится также, как множество, базовым типом которого является тип byte. В памяти занимает место, которое зависит от количества элементов, входящих в объявленный интервал.
Полустатические структуры данных характеризуются следующими признаками: они имеют переменную длину и простые процедуры её изменения; изменение длины структуры происходит в определенных пределах, не превышая какого-то максимального (предельного) значения.
Если полустатическую структуру рассматривать на логическом уровне, то о ней можно сказать, что это последовательность данных, связанная отношениями линейного списка. Доступ к элементу может осуществляться по его порядковому номеру. Физическое представление полустатических структур данных в памяти это обычно последовательность слотов в памяти, где каждый следующий элемент расположен в памяти в следующем слоте (т.е. вектор). Физическое представление может иметь также вид однонаправленного связного списка (цепочки), где каждый следующий элемент адресуется указателем находящемся в текущем элементе.
Динамические структуры по определению характеризуются отсутствием физической смежности элементов структуры в памяти непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе её обработки. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным. Элемент динамической структуры состоит из двух полей:
1. информационного поля или поля данных, в котором содержатся те данные, ради которых и создается структура; в общем случае информационное поле само является интегрированной структурой - вектором, массивом, записью и т.п.;
2. поле связок, в котором содержатся один или несколько указателей, связывающий данный элемент с другими элементами структуры;
Когда связное представление данных используется для решения прикладной задачи, для конечного пользователя "видимым" делается только содержимое информационного поля, а поле связок используется только программистом-разработчиком.
Графы. Граф - это сложная нелинейная многосвязная динамическая структура, отображающая свойства и связи сложного объекта.
Многосвязная структура обладает следующими свойствами: на каждый элемент (узел, вершину) может быть произвольное количество ссылок; каждый элемент может иметь связь с любым количеством других элементов; каждая связка (ребро, дуга) может иметь направление и вес.
Заключение
Типы данных - это абстрактные структуры или классы, которые используются для организации данных и предоставляют различные операции над этими данными.
Важность правильного, логического упорядочения структур данных влияет на эффективность алгоритмов. Выбор правильного представления данных служит ключом к удачному программированию и может в большей степени сказываться на производительности программы, чем детали используемого алгоритма. Для определения того, как структуры данных влияют на производительность программ, нужно рассмотреть, как можно строго проанализировать различные операции, выполняемые структурами данных. Вряд ли когда-нибудь появится общая теория выбора структур данных.
Стоит добавить, что совокупность структур данных и операций их обработки составляет модель данных, которая является ядром любой базы данных. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. База данных основывается на использовании иерархической, сетевой или реляционной модели, на комбинации этих моделей или на некотором их подмножестве.
Список использованных источников
1. Информатика: базовый курс: учебник для вузов, бакалавров, магистров, обучающихся по направлениям «Информатика и вычислительная техника» / Под ред. Акулова О.А., Медведева Н.В. - М: Омега-Л, 2006.
2. http://ru.wikipedia.org
3. http://khpi-iip.mipk.kharkiv.edu/library/datastr/book/
4. Голицына О.Л., Попов И.И. Основы алгоритмизации и программирования: учеб. пособие. - М.: Форум: Инфра-М, 2004.