Per organizzare le informazioni in un modo che serva a uno scopo particolare, gli esperti hanno sviluppato una varietà di strutture di dati, sia semplici che complesse. Le strutture dati sono progettate per organizzare i dati in modo tale che siano comprensibili e utilizzati sia dagli esseri umani che dai computer. Continua a leggere mentre esploriamo i tipi di strutture dati in Python. Abbiamo anche aggiunto una spiegazione più approfondita di cosa sono le strutture dati e gli algoritmi. Immergiamoci!
Cosa sono le strutture dati?
Per archiviare, elaborare, recuperare e organizzare i dati in modo efficiente su un computer, sono state sviluppate diverse strutture di dati. Sono un metodo per trattare le informazioni, trasformandole in una forma che possa essere facilmente utilizzata.
Gli algoritmi e le strutture dati sono la spina dorsale di qualsiasi programma, applicazione o software. Gli algoritmi sono un insieme di regole e istruzioni per l'elaborazione dei dati da utilizzare nei programmi per computer. Le strutture dati vengono utilizzate dai programmatori per trasmettere informazioni tra diverse parti di un'applicazione o tra applicazioni. Input, elaborazione, manutenzione e recupero sono i quattro usi principali delle strutture dati.
Quali sono le classificazioni della struttura dei dati?
Di seguito sono riportate le classificazioni di una struttura dati:
#1. Il lineare e il non lineare
I dati in strutture lineari, come un array, un elenco o una coda, sono organizzati in linea retta. Invece di formare un ordine sequenziale, i dati in strutture non lineari come un albero o un grafico collegano due o più informazioni.
#2. Dinamico e statico
Le strutture dati hanno dimensioni e forme predeterminate in fase di compilazione, come suggerisce il nome. L'array consente di risparmiare una quantità predeterminata di memoria per un uso futuro. La quantità di memoria disponibile in una struttura dinamica può aumentare o diminuire a seconda delle esigenze del codice in esecuzione. Anche la posizione della memoria collegata può cambiare nel tempo.
#3. Stati non omogenei e stati omogenei
Le strutture di dati omogenee sono raccolte di elementi che hanno tutti lo stesso tipo di dati, ad esempio un array. Non è necessario che i dati in strutture non omogenee siano tutti dello stesso tipo.
Tipi di struttura dei dati
I programmatori di computer possono scegliere tra diverse strutture di dati, ciascuna con determinati punti di forza e utilizzi. Di seguito sono riportati i tipi di strutture dati:
#1. Array
Gli array vengono utilizzati per raggruppare oggetti dati di natura simile. L'allocazione di memoria contigua viene utilizzata da questa struttura per l'organizzazione dei dati. Gli utenti di un array assegnano un indice o una chiave univoci a ciascun membro dell'array. Gli array sono gli elementi costitutivi di strutture di dati più complesse come tabelle hash ed elenchi. Quando si categorizzano gli algoritmi, questo framework viene spesso utilizzato da informatici.
#2. Pile
In uno stack, l'operazione più recente viene mostrata per prima perché lo stack segue una struttura LIFO (last-in, first-out). Se hai inserito il set di dati "1, 2, 3, 4", la cifra finale, "4", verrà visualizzata per prima. Questa organizzazione dei dati produce una pila o pila. Una struttura di dati stack è utile anche per archiviare e recuperare dati in cui l'ordine di esecuzione è fondamentale. Il layout di questo sistema ti incoraggia a vedere ogni compito fino alla sua conclusione prima di passare a quello successivo.
#3. Strutture dati lineari
Gli array, o insiemi finiti di dati, sono esempi di strutture di dati lineari perché i loro membri possono essere recuperati in memoria utilizzando una chiave di indice. Gli elenchi collegati sono un altro tipo di struttura dati lineare. Per archiviare arbitrariamente gli elementi dell'elenco in tutta la memoria, gli elenchi collegati li organizzano in un modo specifico.
#4. Strutture dati ad albero
Le strutture di dati sotto forma di alberi sono di natura gerarchica, con il valore radice e sottoinsiemi di figli mostrati come nodi collegati. Esiste un'ampia gamma di strutture dati ad albero, ognuna con le proprie proprietà uniche. Alcuni esempi sono alberi binari, alberi di ricerca binari, alberi rosso-neri, alberi con bilanciamento del peso e heap binari.
#5. Code
Quando si tratta di organizzazione dei dati, le code sono preferibili agli stack a causa della loro struttura FIFO (first-in, first-out). Poiché i dati entrano e aspettano di lasciare questa struttura lineare, ricorda una coda. I dati inseriti inizialmente verranno trasmessi per primi. Le code vengono utilizzate anche dai programmatori nei computer per archiviare informazioni che non devono essere elaborate immediatamente.
#6. Elenchi collegati
Gli elenchi collegati organizzano i loro "nodi", o oggetti, in modo lineare in base alle relazioni tra di loro. Le informazioni e un riferimento sono contenuti in ciascun nodo. I dati del nodo sono le informazioni che il programmatore ha deciso di memorizzare lì, mentre il puntatore è un riferimento al nodo successivo nella sequenza. Gli elenchi collegati sono utili quando devi essere in grado di rimuovere elementi dall'elenco. Tuttavia, anche stack e code possono essere implementati con il loro aiuto.
#7. Salta le liste
Utilizzando un formato di elenco collegato, gli elenchi di salto sono un tipo di struttura dati probabilistica. Un elenco di salto è anche una struttura di dati che ignora selettivamente alcuni degli elementi in un elenco più ampio. Il numero di elementi in un elenco da saltare diminuisce a ogni livello, ma non vengono aggiunti nuovi elementi. La capacità di rimuovere, inserire e cercare rapidamente i dati è uno dei principali vantaggi degli elenchi di salto per i programmatori.
#8. Grafici
I grafici sono un tipo speciale di elenco non ordinato che può essere utilizzato per rappresentare le reti. Sono costituiti da singoli "nodi" e dai collegamenti (o "bordi") tra di essi. In questi progetti, X e Y sono usati in coppia, con il vertice X che si collega alla Y. I grafici aiutano anche i ricercatori a esaminare reti complesse come le strade cittadine e le interazioni sociali online.
#9. Cerca
I tentativi, spesso noti come "alberi dei prefissi", sono un tipo di struttura dati simile ad un albero. Spesso sostituiscono le lettere dell'alfabeto quando necessario. I nodi dell'albero sono stringhe che possono essere recuperate dal programmatore seguendo il ramo verso il basso. I tentativi possono aiutarti a organizzare le informazioni che dipendono da un prefisso di stringa. I suggerimenti automatici e le ricerche nel dizionario sono due esempi di come vengono utilizzati i tentativi.
#10. Tabelle hash
Le coppie chiave-valore sono memorizzate in tabelle chiamate mappe hash. Generano un codice hash, o indice, nelle posizioni di archiviazione che contengono il valore ricercato. Gli array sono anche un modo comune per i programmatori di computer di memorizzare i dati. Le tabelle hash possono essere utilizzate per implementare la struttura dei dati impostata, nonché per associare array e indici di database.
Strutture dati e algoritmi
C'è un vasto divario tra le strutture dati e gli algoritmi. Tuttavia, l'ordinamento e l'accesso ai dati efficaci sono resi possibili dalle strutture dei dati, che rappresentano graficamente le relazioni tra i dati. Il software, la pagina Web, il programma o l'hardware di un computer può eseguire un'attività solo seguendo i passaggi descritti in un algoritmo.
Gli algoritmi sono sequenze predeterminate e discrete di passaggi che possono essere eseguiti da un computer per ottenere un risultato predeterminato e ripetitivo. Algoritmi di ordinamento, algoritmi di ricerca e algoritmi del percorso più breve sono tutti esempi di algoritmi. Ciascuno consente a un computer non solo di recuperare le informazioni rilevanti di cui ha bisogno, ma anche di agire in risposta a un determinato comando. Possono essere sviluppati algoritmi ottimizzati per particolari strutture di dati. Ci si possono aspettare risultati inefficienti quando si applica un algoritmo destinato a una struttura dati a un'altra.
Strutture dati in Python
Python è ampiamente utilizzato in molti campi, inclusi ma non limitati a sviluppo web, ricerca di dati, robotica, ML, AI, IoT e automazione di rete, rendendolo uno dei linguaggi di programmazione più utilizzati al mondo. Quando si lavora con i dati, ogni applicazione richiede un luogo in cui organizzarli, gestirli e recuperarli in modo rapido e semplice.
Ci sono cinque strutture dati preesistenti in Python, e sono tutte utili per diversi motivi. Le seguenti sono le strutture dati in Python:
# 1. Elenco
Un elenco è un elenco di elementi ordinato dinamicamente. È anche in grado di memorizzare qualsiasi struttura di dati, inclusi numeri, valori in virgola mobile, testi, altri elenchi, tuple, dizionari e altro. Inoltre, puoi usare le parentesi quadre ([]) o il costruttore list() per creare un nuovo elenco vuoto.
#2. Tupla
Le tuple non possono mai essere modificate perché sono liste immutabili. Le strutture di dati tuple sono ideali per archiviare elementi che sai non cambieranno. I giorni della settimana, i mesi dell'anno, le coordinate GPS di una determinata area, ecc., sono tutti esempi di tali elementi. Invece di usare le parentesi quadre per dichiarare una tupla, useresti le parentesi. Le tuple possono trarre vantaggio anche dalle operazioni di indicizzazione e sezionatura.
#3. Impostato
Gli insiemi sono gruppi non ordinati di oggetti distinti. In Python, gli insiemi non sono sequenze. Molte collezioni del mondo reale mancano di una disposizione predeterminata e non contengono copie. Numeri di previdenza sociale, indirizzi e-mail, indirizzi IP (Internet Protocol), indirizzi MAC (Media Access Control) e così via sono solo alcuni esempi. Queste sono solo raccolte di cose casuali e singolari. Non sono richieste duplicazioni e nessun ordine particolare. I set sono un modo conveniente per archiviare raccolte come queste da utilizzare nel software.
#4. Set congelato
Un set congelato è solo un set che non può essere modificato in alcun modo. Agiscono e hanno le stesse proprietà degli insiemi, ma non possono essere alterati in alcun modo. Di conseguenza, le mutazioni di set come add(), update() e così via non possono essere applicate a frozensets. I Frozenset, a causa della loro immutabilità, possono essere usati come chiavi nei dizionari o come elementi in un altro insieme o Frozenset.
La funzione frozenset() può essere utilizzata direttamente per produrre un frozenset, oppure un altro oggetto iterabile può essere utilizzato come argomento per generare un frozenset da una stringa, un elenco, una tupla o un insieme.
#5. Dizionario
Python fa molto affidamento sui suoi dizionari. Usiamo i dizionari come spina dorsale di tutto, dai moduli e classi agli oggetti e persino agli insiemi. Un dizionario può essere paragonato a un oggetto in JavaScript, un hash in Ruby o una mappa in Go se hai familiarità con questi linguaggi.
Un dizionario in Python è anche un array di chiavi; coppie di valori delimitate da virgole e racchiuse tra parentesi graffe. Utilizzando le parentesi graffe o il costruttore dict(), è possibile creare un nuovo dizionario vuoto.
Perché le strutture dati sono importanti?
Gli informatici si affidano a strutture di dati per organizzare e archiviare enormi quantità di informazioni. Avere un sistema affidabile in atto potrebbe semplificare la ricerca di ciò di cui hai bisogno. Nei colloqui per posizioni in informatica, i candidati vengono regolarmente interrogati sulla loro familiarità con le strutture di dati. Ne beneficiano anche i campi dell'intelligenza artificiale (AI), della computer grafica e dei sistemi operativi.
Come vengono utilizzate le strutture dati?
Le strutture di dati vengono utilizzate per implementare le forme concrete di tipi di dati astratti. Le strutture dati sono una parte essenziale di qualsiasi software ben progettato. Sono anche cruciali per lo sviluppo di software e l'implementazione di algoritmi. Di seguito sono riportati i modi in cui vengono utilizzate le strutture dati:
#1. Conservazione dei registri
Le strutture di dati vengono utilizzate per persistere in modo efficiente i dati in un sistema di gestione del database fornendo l'insieme di caratteristiche e strutture di corrispondenza che verranno utilizzate per memorizzare le voci.
#2. Gestione risorse e servizi
Le risorse e le operazioni del sistema operativo principale (OS) si basano su strutture di dati come elenchi collegati per l'allocazione della memoria, la gestione delle directory dei file e gli alberi della struttura dei file e le code di pianificazione dei processi.
#3. Scambio di dati
Le strutture dati vengono utilizzate per organizzare i dati che vengono comunicati tra le applicazioni, come i pacchetti TCP/IP.
#4. Ordinamento e ordinamento
Le strutture di dati come gli alberi binari di ricerca, spesso chiamati alberi binari ordinati o ordinati, forniscono modi utili per organizzare i dati, come le stringhe di caratteri utilizzate come tag. Le strutture di dati come le code di priorità consentono ai programmatori di gestire raccolte di oggetti in un ordine di importanza predefinito.
#5. Indicizzazione
Strutture di dati ancora più complicate, come i B-tree, vengono utilizzate per indicizzare le cose, comprese quelle memorizzate in un database.
#6. Ricerca
È pratica comune costruire indici utilizzando alberi B, tabelle hash o alberi di ricerca binari per velocizzare la ricerca di un determinato elemento.
#7. Scalabilità
Le strutture di dati vengono utilizzate dalle applicazioni Big Data per garantire prestazioni e scalabilità durante l'allocazione e la gestione dell'archiviazione dei dati su diversi siti di archiviazione distribuiti. Molti ambienti di programmazione per big data, come Apache Spark, includono strutture di dati che imitano la struttura sottostante delle voci del database per facilitare l'esecuzione di query.
Scelta di una struttura dati
Di seguito sono riportati i modi per scegliere una struttura dati:
#1. Operazioni supportate
Le operazioni tra tipi di dati non elencati nella tabella possono essere eseguite se il tipo di dati sottostante di un attributo può essere convertito in uno dei tipi per i quali l'operazione è supportata. I numeri possono essere aggiunti o eliminati dai dati. I numeri interi riflettono il numero di giorni che devono essere aggiunti o sottratti.
#2. La complessità del calcolo
La complessità computazionale di un algoritmo è la quantità di tempo e spazio di archiviazione necessari per l'esecuzione. Per stimare quanto tempo impiegherà un algoritmo a funzionare e quanta memoria utilizzerà, gli informatici utilizzano metriche matematiche di difficoltà prima di scrivere il codice. Queste previsioni sono aiuti cruciali per i programmatori quando decidono e sviluppano algoritmi per l'uso nel mondo reale.
#3. Codifica elegante
Un programma squisito è una di quelle cose che tutti possono riconoscere immediatamente ma che faticano a mettere il dito sopra. Fa buon uso del linguaggio senza soccombere all'oscurità. È breve senza ricorrere a sintassi offuscata. Riesce ad essere allo stesso tempo facile da leggere e afferrare in superficie e sofisticato nella sua struttura sottostante. La codifica che sia il più vicino possibile alla prosa perfetta è il Santo Graal di ogni programmatore.
Non esiste una soluzione semplice o un proiettile d'argento per questo problema. L'adozione di standard di codifica può essere utile, ma solo se si basano su un framework robusto che garantisca che il programmatore comprenda e implementi l'essenza del problema.
Cosa sono le strutture dati per i manichini?
Tra le idee fondamentali dell'informatica ci sono le strutture dati e gli algoritmi. Consentono agli sviluppatori di definire azioni che verranno ripetute in fase di esecuzione. Gli algoritmi si occupano di come viene eseguita un'attività, mentre le strutture di dati definiscono come sono organizzati i dati.
Qual è la struttura dati più comune?
La struttura dati più comune e di base è un array. Gli array costituiscono la base di molte altre strutture di dati, inclusi stack e code.
Qual è la struttura dati più semplice?
Tra le idee fondamentali dell'informatica ci sono le strutture dati e gli algoritmi. Consentono agli sviluppatori di definire azioni che verranno ripetute in fase di esecuzione. Gli algoritmi si occupano di come viene eseguita un'attività, mentre le strutture di dati definiscono come sono organizzati i dati. La struttura dati più comune e di base è un array. Gli array costituiscono la base di molte altre strutture di dati, inclusi stack e code.
L'array unidimensionale (lineare) è la struttura dati più semplice, con elementi memorizzati e accessibili da indici interi successivi.
Considerazioni finali
Una struttura dati è un modo per archiviare e organizzare le informazioni in un formato digitale. Rappresenta un insieme di valori di dati, le associazioni tra di essi e le possibili manipolazioni o servizi che forniscono. Le strutture dati vengono utilizzate dai programmatori per trasmettere informazioni tra diverse parti di un'applicazione o tra applicazioni. Tuttavia, le strutture di dati servono a quattro scopi fondamentali: archiviazione, elaborazione, manutenzione e recupero.
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Riferimenti
