Файл: Динамические структуры данных. Списки».pdf

ВВЕДЕНИЕ

Создание очень сложных программных продуктов, к примеру, разного рода информационных систем (ИС), требует подготовки квалифицированных разработчиков, которые в совершенстве могут владеть современными методами для построения систем по обработке данных.

Для решения разных задач, с одной стороны, крайне необходимо выбрать подходящий уровень абстрагирования, а также определить множество данных, представляющих реальную ситуацию и относящуюся к конкретно поставленному заданию.

С иной стороны, необходимо выбирать способ представления обработанных данных с учетом всех возможностей языка программирования (ЯП) и персонального компьютера (ПК).

Стоит отметить, что в разных языках программирования применяются специальные способы для выделения объемов памяти для хранимой информации, который часто называют динамическим.

В настоящее время инструментарий обработки и сохранения любой информации значительно упростился, поскольку появились новые программные средства, которые могут с легкостью обрабатывать большие массивы данных.

В таких случаях почти всегда используется динамическое распределение применяемой памяти.

Актуальностью проводимого исследования является изучение динамических структур в программировании, ведь очень важно уметь разрабатывать программные продукты, которые могут корректно использовать имеющуюся память, так как во время реализации программных продуктов память необходима практически во всех основных элементах программ.

Объект курсовой работы – современные динамические структуры данных.

Предметом исследования являются списочные динамические структуры.

Цель исследования – рассмотреть главные понятия и операции с динамическими списочными структурами.

Согласно указанной цели, выделим основные задачи, которые выдвигаются в рассматриваемой работе:

• рассмотреть основные определения о структурировании данных с точки зрения программирования;
• выполнить анализ принципов обработки динамических структур;
• дать характеристику нелинейным динамическим структурам;
• рассмотреть односвязные динамические списки в С++;
• выполнить реализацию основных алгоритмов по работе со списками на практике.

Структурно работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.

---

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СТРУКТУРИРОВАНИЯ ДАННЫХ

Структуры данных: понятие, типы и форматы

Необходимым условием для хранения информации непосредственно в памяти ПК является возможность преобразования ее в подходящую для обработки компьютером форму.

В таком случае, если данное условие выполняется, то следует определить структуру, которая является пригодной именно для наличествующих данных, ту, которая предоставит весь требующийся набор возможностей для их обработки.

В программировании под структурой понимается метод представления информации, с помощью которого совокупность отдельно определенных элементов образует единое, обусловленное их практической взаимосвязью друг с другом.

Все скомпонованные по каким-то правилам и связанные логически между собой данные могут эффективно обрабатываться, поскольку общая структура для них предоставляет весь набор возможностей для управления ими. В результате этого достигаются высокие результаты при решении тех или других задач^[1].

Стоит отметить, что не каждый объект может быть представлен в произвольной форме, может быть такой случай, что для него имеется только один единственный способ интерпретации, следовательно, при этом несомненным плюсом для разработчика будет знание практически всех существующих структур информации.

По данной причине, часто приходиться выполнять выбор между самыми различными методами хранения данных, и от этого выбора зависит практическая работоспособность программы.

Можно показать много случаев, где у информации видно явную структуру^[2].

Наглядным примером этого служат книги, которые имеют разное содержания. Они разбиваются на страницы, главы и параграфы, имеют, как правило, свое оглавление, другими словами, интерфейс пользования.

В широком смысле рассматриваемого понятия, структуру имеет всякое живое существо.

Методы хранения информации, которые называют «простыми», то есть, неделимыми на разные составные части, предпочтительнее выучить вместе с определенным языком программирования (ЯП), либо же углубляться непосредственно в суть их работы.

Структуры данных можно применять в качестве информационных массивов, что предназначаются для непосредственного проектирования программного обеспечения^[3]. Стоит отметить, что структурированные данные имеют свою специфическую форму текстов, чисел и могут в себе содержать более сложные структуры (рисунок 1):

---

Рисунок 1 – Пример древоподобной структуры

Стоит отметить, что с понятием структуры данных в программировании тесно связан термин «тип данных». Виды применяемых данных при написании программ показаны на рисунке 2^[4]:

Данные

Элементарные
(простые)

Составные

(структуры)

Символ

Целое

Статические

Динамические

Запись

Массив

Множество

Дерево

Список

Рисунок 2 – Типы данных

Для точного описания самых разных абстрактных структур, алгоритмов для их обработки применяются системы для выполнения формализованного обозначения, называющиеся языками программирования.

Стоит отметить, что много средств, для описания почти всех ЯП, есть возможность ссылаться в поэлементном варианте, пользуясь только названием^[5].

Выбор конкретного представления информации служит также ключом к самому оптимальному программированию, и в большей степени может выполнять влияние на производительности программ, нежели обычные детали алгоритма.

Под структурой информации понимается множество составных элементов информации, а также перечень связей между ними^[6].

Такое определение описывает полностью все подходы и реализации структуризации, где по каждому определенному заданию будут отведены аспекты для его решения.

Рассмотрим типы структур данных, которые используются в программировании.

Физическая структура данных имеет возможность отражать методологию физического и логического описания их в постоянной памяти ПК. Она называется структурой хранения (другими словами, внутренней) структурой предоставления данных.

Рассмотрение с такой точки зрения структур данных не обращая внимание на учет представлений их в машинном коде, называют их абстрактной структурой.

Заметим, что между логическими структурами данных и физическими есть некоторое различие, уровень которого напрямую зависит непосредственно от структуры, а также особенностей выбранной среды написания программ.

Вследствие ранее приведенного различия можно разделить программные процедуры, которые осуществляют повсеместное и полное отображение структурированных моделей данных (МД).

Другой важнейший признак, по которому можно структурировать данных – характер упорядоченности для её элементов^[7] (рисунок 3).

---

В зависимости от указанной выше характеристики для взаимного расположения всех структуры в оперативной памяти, все современные структуры данных, которые называются линейными, еще можно разделить на несколько категорий:

• векторы;
• массивы;
• стеки;
• строки;
• очереди.

Рисунок 3 – Категории структур

По качестве и характеру связей между элементами структур их можно разделять на следующие типы (рисунок 4):

Рисунок 4 – Классификация структур по характеру связей

Типичным примером нелинейной структуры являются многофайловые списки, графы, деревья^[8].

В современных ЯП очень тесно связывается определение «структуры» с термином «формат данных».

Простые структурные типы данных называют еще примитивами или же базовыми МД. Они являются так называемой отправной точкой для непосредственного применения структур в программных проектах.

В ЯП иногда применяются простые структуры, описывающиеся с применением таких базовых типов^[9].

К таким типам можно отнести (рисунок 5):

Рисунок 5 – Простые структуры данных

Все современные статические структуры можно отнести в категории непримитивных, представляющих собой некоторый перечень примитивных структур данных.

Выделение памяти после (или одновременно с) процесса компиляции обладает очень показательным свойством для статических структур данных, что в некоторых классических задачах программистами применяется в результате представлении самых разных объектов, которые обладают определенной степенью изменчивости.

Когда при объявлении массива заранее неизвестен его полный размер, то под его компоненты резервируется сразу максимальный возможный объем памяти.

Стоит отметить, что статические структуры данных в современной теории программирования связаны с процессами структурирования типов –средствами интеграции, позволяющие строить разные прикладные структуры информации любой сложности.

К ним можно отнести:

• массивы;
• структуры;
• множества.

Рассмотрим некоторые с перечисленных структур.

Вектор (или одномерный массив) – это структура данных, которая располагает конкретной численностью элементов базового формата данных^[10].

---

Каждый такой компонент вектора может имеет уникальный свой номер в рамках применения заданного вектора.

Такой номер называют индексом.

Обращение к элементу можно реализовать по имени, номеру элемента массива.

Под массивом понимается специальная структура данных, характеризующаяся^[11]:

• фиксированным перечнем элементов;
• каждый из компонентов имеет уникальный набор значений индексов;
• общее количество всех рассмотренных индексов описывает размерность массива;

В первом разделе курсовой работы рассмотрено определение структуры данных, приведена их базовая классификация, описаны все типы структур, а также особенности их использования.

1.2 Динамические структуры данных

Часто в больших программных проектах надо применять данные, в которых размер и структура должны меняться непосредственно при процессе работы.

Все динамические массивы выделяют память под свои компоненты только в процессе их обработки.

К примеру, надо проанализировать текст, определить, какие слова и сколько их встречаются, причем слова нужно упорядочить по алфавиту. В этих случаях применяют структуры, которые представляют собой элементы, связанные при использовании ссылок. Каждый такой компонент (или узел) состоит с двух областей памяти:

– ссылок;

– поля данных.

Ссылка (или указатель) – это адрес других узлов такого же типа, с которыми этот узел логически связан^[12].

В языке программирования С++ для организации ссылок применяется переменная-указатели.

При добавлении узла в указанную структуру формируется новый блок памяти, а потом посредством ссылок устанавливаются связи нового элемента с существующими.

Для обозначения самого последнего элемента в цепи применяются нулевые ссылки (обозначаются NULL).

Достоинство применения ссылок состоит в следующем:

• возможность обеспечения изменчивости информации;
• размер структур ограничен только доступным объёмом оперативной ПК;
• при рассмотрении иных логических последовательностей для компонентов динамической структуры не нужно переместить всю информацию в оперативной памяти, а возможно только выполнить перенаправление указателей на нее^[13].

Также, вместе с рассмотренным фактом, ссылки имеют также некоторые недостатки:

---