Para organizar la información de manera que sirva a un propósito particular, los expertos han desarrollado una variedad de estructuras de datos, tanto simples como complejas. Las estructuras de datos están diseñadas para organizar los datos de manera que sean comprensibles y utilizados tanto por humanos como por computadoras. Siga leyendo mientras exploramos los tipos de estructuras de datos en Python. También agregamos una explicación más profunda de qué son las estructuras de datos y los algoritmos. ¡Vamos a sumergirnos!
¿Qué son las estructuras de datos?
Para almacenar, procesar, recuperar y organizar datos de manera eficiente en una computadora, se han desarrollado varias estructuras de datos diferentes. Son un método para tratar la información, transformándola en una forma que pueda utilizarse fácilmente.
Los algoritmos y las estructuras de datos son la columna vertebral de cualquier programa, aplicación o software. Los algoritmos son un conjunto de reglas e instrucciones para procesar datos para su uso en programas de computadora. Los programadores utilizan estructuras de datos para transmitir información entre diferentes partes de una aplicación o entre aplicaciones. La entrada, el procesamiento, el mantenimiento y la recuperación son los cuatro usos principales de las estructuras de datos.
¿Cuáles son las clasificaciones de la estructura de datos?
Las siguientes son las clasificaciones de una estructura de datos:
#1. Lo lineal y lo no lineal
Los datos en estructuras lineales, como una matriz, una lista o una cola, se organizan en línea recta. En lugar de formar un orden secuencial, los datos en estructuras no lineales como un árbol o un gráfico conectan dos o más piezas de información.
#2. Dinámico y Estático
Las estructuras de datos tienen sus tamaños y formas predeterminados en el momento de la compilación, como sugiere el nombre. La matriz guarda una cantidad predeterminada de memoria para uso futuro. La cantidad de memoria disponible en una estructura dinámica puede crecer o reducirse según las necesidades del código en ejecución. La ubicación de la memoria conectada también puede cambiar con el tiempo.
#3. Estados no homogéneos y homogéneos
Las estructuras de datos homogéneas son colecciones de elementos que tienen el mismo tipo de datos, como una matriz. No es necesario que los datos en estructuras no homogéneas sean todos del mismo tipo.
Tipos de estructura de datos
Los programadores de computadoras pueden elegir entre varias estructuras de datos diferentes, cada una con ciertas ventajas y usos. Los siguientes son los tipos de estructuras de datos:
#1. arreglos
Las matrices se utilizan para agrupar objetos de datos de naturaleza similar. Esta estructura utiliza la asignación de memoria contigua para la organización de datos. Los usuarios de una matriz asignan un índice o clave único a cada miembro de la matriz. Las matrices son los componentes básicos de estructuras de datos más complejas, como listas y tablas hash. Al categorizar algoritmos, este marco es utilizado con frecuencia por científicos de la computación.
#2. pilas
En una pila, la operación más reciente se muestra primero porque la pila sigue una estructura de último en entrar, primero en salir (LIFO). Si ingresó el conjunto de datos "1, 2, 3, 4", el dígito final, "4", se mostraría primero. Esta organización de datos produce una pila o pila. Una estructura de datos de pila también es útil para almacenar y recuperar datos donde el orden de ejecución es crítico. El diseño de este sistema lo alienta a ver cada tarea hasta su conclusión antes de pasar a la siguiente.
#3. Estructuras de datos lineales
Las matrices, o conjuntos finitos de datos, son ejemplos de estructuras de datos lineales porque sus miembros se pueden recuperar en la memoria mediante una clave de índice. Las listas enlazadas son otro tipo de estructura de datos lineal. Para almacenar los elementos de la lista arbitrariamente en la memoria, las listas enlazadas los organizan de una manera específica.
#4. Estructuras de datos de árbol
Las estructuras de datos en forma de árboles son de naturaleza jerárquica, con el valor raíz y los subconjuntos de elementos secundarios que se muestran como nodos vinculados. Existe una amplia gama de estructuras de datos de árbol, cada una con sus propias propiedades únicas. Algunos ejemplos son árboles binarios, árboles de búsqueda binarios, árboles rojo-negro, árboles de peso equilibrado y montones binarios.
#5. Colas
Cuando se trata de la organización de datos, las colas son preferibles a las pilas debido a su estructura FIFO (primero en entrar, primero en salir). Dado que los datos ingresan y esperan para salir de esta estructura lineal, recuerda a una cola. Los datos introducidos inicialmente se transmitirán primero. Las colas también son utilizadas por programadores en computadoras para almacenar información que no tiene que ser procesada inmediatamente.
#6. listas enlazadas
Las listas enlazadas organizan sus "nodos" u objetos de forma lineal según las relaciones entre ellos. La información y una referencia están contenidas en cada nodo. Los datos del nodo son la información que el programador decidió almacenar allí, mientras que el puntero es una referencia al siguiente nodo en la secuencia. Las listas vinculadas son útiles cuando necesita poder eliminar elementos de la lista. Sin embargo, también se pueden implementar pilas y colas con su ayuda.
#7. Saltar listas
Usando un formato de lista enlazada, las listas de omisión son un tipo de estructura de datos probabilísticos. Una lista de omisión también es una estructura de datos que ignora selectivamente algunos de los elementos de una lista más grande. El número de elementos en una lista de omisión disminuye con cada nivel, pero no se agregan elementos nuevos. La capacidad de eliminar, insertar y buscar datos rápidamente es una de las principales ventajas de las listas de omisión para los programadores.
#8. gráficos
Los gráficos son un tipo especial de lista no ordenada que se puede utilizar para representar redes. Se componen de "nodos" individuales y los enlaces (o "bordes") entre ellos. En estos diseños, X e Y se usan como un par, con el vértice X vinculado al Y. Los gráficos también ayudan a los investigadores a examinar redes complejas como las calles de la ciudad y las interacciones sociales en línea.
#9. Intentos
Los intentos, a menudo conocidos como "árboles de prefijos", son un tipo de estructura de datos similar a un árbol. Con frecuencia reemplazan las letras del alfabeto cuando es necesario. Los nodos del árbol son cadenas que el programador puede recuperar siguiendo la rama hacia abajo. Los intentos pueden ayudarlo a organizar la información que está condicionada a un prefijo de cadena. Las sugerencias automáticas y las búsquedas en el diccionario son dos ejemplos de cómo se utilizan los intentos.
#10. tablas hash
Los pares clave-valor se almacenan en tablas llamadas mapas hash. Generan un código hash, o índice, en las ubicaciones de almacenamiento que contienen el valor buscado. Las matrices también son una forma común para que los programadores de computadoras almacenen datos. Las tablas hash se pueden utilizar para implementar la estructura de datos establecida, así como matrices asociadas e índices de bases de datos.
Estructuras de datos y algoritmos
Hay un gran abismo entre las estructuras de datos y los algoritmos. Sin embargo, la clasificación y el acceso efectivos a los datos son posibles gracias a las estructuras de datos, que representan gráficamente las relaciones de datos. El software, la página web, el programa o el hardware de una computadora solo pueden realizar una tarea siguiendo los pasos descritos en un algoritmo.
Los algoritmos son secuencias discretas y predeterminadas de pasos que puede llevar a cabo una computadora para obtener un resultado predeterminado y repetitivo. Los algoritmos de clasificación, los algoritmos de búsqueda y los algoritmos de ruta más corta son ejemplos de algoritmos. Cada uno permite que una computadora no solo recupere la información relevante que necesita, sino que también actúe en respuesta a un comando dado. Se pueden desarrollar algoritmos optimizados para estructuras de datos particulares. Se pueden esperar resultados ineficientes cuando se aplica un algoritmo destinado a una estructura de datos a otra.
Estructuras de datos en Python
Python se utiliza ampliamente en muchos campos, incluidos, entre otros, desarrollo web, investigación de datos, robótica, ML, IA, IoT y automatización de redes, lo que lo convierte en uno de los lenguajes de programación más utilizados en el mundo. Cuando se trabaja con datos, cada aplicación requiere un lugar para mantenerlos organizados, administrarlos y recuperarlos rápida y fácilmente.
Hay cinco estructuras de datos preexistentes en Python, y todas son útiles por diferentes razones. Las siguientes son las estructuras de datos en Python:
# 1. Lista
Una lista es una lista ordenada dinámicamente de elementos. También es capaz de almacenar cualquier estructura de datos, incluidos números, valores de punto flotante, textos, otras listas, tuplas, diccionarios y más. Además, puede usar los corchetes ([]) o el constructor list() para crear una nueva lista vacía.
#2. tupla
Las tuplas nunca se pueden modificar porque son listas inmutables. Las estructuras de datos de tupla son ideales para almacenar elementos que sabe que no cambiarán. Los días de la semana, los meses del año, las coordenadas GPS de un área determinada, etc., son todos ejemplos de tales elementos. En lugar de usar corchetes para declarar una tupla, usaría paréntesis. Las tuplas también pueden beneficiarse de las operaciones de indexación y división.
# 3. Colocar
Los conjuntos son grupos desordenados de objetos distintos. En Python, los conjuntos no son secuencias. Muchas colecciones del mundo real carecen de un arreglo predeterminado y no contienen copias. Números de seguridad social, direcciones de correo electrónico, direcciones de protocolo de Internet (IP), direcciones de control de acceso a medios (MAC), etc., son solo algunos ejemplos. Estas son solo colecciones de cosas aleatorias y singulares. No se requieren duplicaciones ni ningún orden en particular. Los conjuntos son una forma conveniente de almacenar colecciones como estas para su uso en software.
#4. Congelado
Un conjunto congelado es solo un conjunto que no se puede modificar de ninguna manera. Actúan y tienen las mismas propiedades que los conjuntos, pero no pueden ser alterados de ninguna manera. Como resultado, las mutaciones de conjunto, como add(), update(), etc., no se pueden aplicar a conjuntos congelados. Los conjuntos congelados, debido a su inmutabilidad, se pueden usar como claves en diccionarios o como elementos en otro conjunto o conjunto congelado.
La función frozenset() se puede usar directamente para producir un conjunto congelado, o se puede usar otro objeto iterable como argumento para generar un conjunto congelado a partir de una cadena, lista, tupla o conjunto.
#5. Diccionario
Python depende en gran medida de sus diccionarios. Usamos diccionarios como la columna vertebral de todo, desde módulos y clases hasta objetos e incluso conjuntos. Un diccionario se puede comparar con un objeto en JavaScript, un hash en Ruby o un mapa en Go si está familiarizado con esos lenguajes.
Un diccionario en Python también es una matriz de claves; pares de valores delimitados por comas y encerrados entre llaves. Usando las llaves o el constructor dict(), se puede crear un nuevo diccionario vacío.
¿Por qué son importantes las estructuras de datos?
Los informáticos confían en las estructuras de datos para organizar y almacenar cantidades masivas de información. Tener un sistema confiable en su lugar puede hacer que sea sencillo encontrar lo que necesita. En las entrevistas para puestos de informática, a los candidatos se les pregunta rutinariamente sobre su familiaridad con las estructuras de datos. Los campos de la inteligencia artificial (IA), los gráficos por computadora y los sistemas operativos también se benefician de esto.
¿Cómo se utilizan las estructuras de datos?
Las estructuras de datos se utilizan para implementar formas concretas de tipos de datos abstractos. Las estructuras de datos son una parte esencial de cualquier pieza de software bien diseñada. También son cruciales para el desarrollo de software y la implementación de algoritmos. Las siguientes son formas en que se utilizan las estructuras de datos:
#1. Mantenimiento de registros
Las estructuras de datos se utilizan para conservar los datos de manera eficiente en un sistema de administración de bases de datos al proporcionar el conjunto de características y estructuras coincidentes que se utilizarán para almacenar las entradas.
#2. Gestión de recursos y servicios
Los recursos y operaciones centrales del sistema operativo (SO) se basan en estructuras de datos como listas vinculadas para la asignación de memoria, administración de directorios de archivos y árboles de estructura de archivos, y colas de programación de procesos.
#3. El intercambio de datos
Las estructuras de datos se utilizan para organizar los datos que se comunican entre aplicaciones, como los paquetes TCP/IP.
#4. ordenar y clasificar
Las estructuras de datos, como los árboles de búsqueda binarios, a menudo denominados árboles binarios ordenados u ordenados, proporcionan formas útiles de organizar los datos, como las cadenas de caracteres que se utilizan como etiquetas. Las estructuras de datos como las colas de prioridad permiten a los programadores administrar colecciones de objetos en un orden de importancia predefinido.
#5. Indexación
Incluso se utilizan estructuras de datos más complicadas, como los árboles B, para indexar cosas, incluidas las almacenadas en una base de datos.
#6. buscando
Es una práctica común construir índices utilizando árboles B, tablas hash o árboles de búsqueda binarios para acelerar la búsqueda de un determinado elemento.
#7. Escalabilidad
Las estructuras de datos son empleadas por aplicaciones de big data para garantizar el rendimiento y la escalabilidad mientras asignan y administran el almacenamiento de datos en varios sitios de almacenamiento distribuido. Muchos entornos de programación de macrodatos, como Apache Spark, incluyen estructuras de datos que imitan la estructura subyacente de las entradas de la base de datos para facilitar las consultas.
Elegir una estructura de datos
Las siguientes son formas de elegir una estructura de datos:
#1. Operaciones admitidas
Las operaciones entre tipos de datos que no se enumeran en la tabla se pueden realizar si el tipo de datos subyacente de un atributo se puede convertir en uno de los tipos para los que se admite la operación. Los números se pueden agregar o eliminar de los datos. Los números enteros reflejan el número de días que se deben sumar o restar.
#2. La complejidad de la computación
La complejidad computacional de un algoritmo es la cantidad de tiempo y espacio de almacenamiento que requiere para ejecutarse. Para estimar cuánto tardará en ejecutarse un algoritmo y cuánta memoria utilizará, los informáticos utilizan métricas matemáticas de dificultad antes de escribir el código. Estos pronósticos son ayudas cruciales para los programadores cuando deciden y desarrollan algoritmos para uso en el mundo real.
#3. Codificación elegante
Un programa exquisito es una de esas cosas que todo el mundo puede reconocer de inmediato, pero tiene dificultades para identificarlo. Hace buen uso del lenguaje sin sucumbir a la oscuridad. Es breve sin recurrir a la sintaxis ofuscatoria. Se las arregla para ser fácil de leer y comprender en la superficie y sofisticado en su estructura subyacente. La codificación que se acerca lo más posible a la prosa perfecta es el santo grial de todo programador.
No existe una solución fácil ni una panacea para este problema. La adopción de estándares de codificación puede ser útil, pero solo si se basan en un marco sólido que garantice que el programador comprenda e implemente la esencia del problema.
¿Qué son las estructuras de datos para tontos?
Entre las ideas más fundamentales de la informática se encuentran las estructuras de datos y los algoritmos. Hacen posible que los desarrolladores definan acciones que se repetirán en tiempo de ejecución. Los algoritmos se ocupan de cómo se lleva a cabo una tarea, mientras que las estructuras de datos definen cómo se organizan los datos.
¿Cuál es la estructura de datos más común?
La estructura de datos más común y básica es una matriz. Los arreglos forman la base de muchas otras estructuras de datos, incluidas las pilas y las colas.
¿Cuál es la estructura de datos más simple?
Entre las ideas más fundamentales de la informática se encuentran las estructuras de datos y los algoritmos. Hacen posible que los desarrolladores definan acciones que se repetirán en tiempo de ejecución. Los algoritmos se ocupan de cómo se lleva a cabo una tarea, mientras que las estructuras de datos definen cómo se organizan los datos. La estructura de datos más común y básica es una matriz. Los arreglos forman la base de muchas otras estructuras de datos, incluidas las pilas y las colas.
La matriz unidimensional (lineal) es la estructura de datos más simple, con elementos almacenados y accedidos por índices enteros sucesivos.
Consideraciones Finales:
Una estructura de datos es una forma de almacenar y organizar información en un formato digital. Representa un conjunto de valores de datos, las asociaciones entre ellos y las posibles manipulaciones o servicios que brindan. Los programadores utilizan estructuras de datos para transmitir información entre diferentes partes de una aplicación o entre aplicaciones. Sin embargo, las estructuras de datos sirven para cuatro propósitos básicos: almacenamiento, procesamiento, mantenimiento y recuperación.
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Referencias
