Para organizar as informações de uma forma que atenda a um propósito específico, os especialistas desenvolveram uma variedade de estruturas de dados, tanto simples quanto complexas. As estruturas de dados são projetadas para organizar os dados de forma que sejam compreensíveis e usados por humanos e computadores. Leia mais enquanto exploramos os tipos de estruturas de dados em Python. Também adicionamos uma explicação mais profunda sobre o que são estruturas de dados e algoritmos. Vamos mergulhar!
O que são estruturas de dados?
Para armazenar, processar, recuperar e organizar dados de forma eficiente em um computador, várias estruturas de dados diferentes foram desenvolvidas. Eles são um método de lidar com a informação, transformando-a em uma forma que pode ser facilmente utilizada.
Algoritmos e estruturas de dados são a espinha dorsal de qualquer programa, aplicativo ou software. Algoritmos são um conjunto de regras e instruções para processamento de dados para uso em programas de computador. Estruturas de dados são usadas por programadores para transmitir informações entre diferentes partes de um aplicativo ou entre aplicativos. Entrada, processamento, manutenção e recuperação são os quatro usos principais para estruturas de dados.
Quais são as classificações da estrutura de dados?
A seguir estão as classificações de uma estrutura de dados:
#1. O Linear e o Não Linear
Os dados em estruturas lineares, como uma matriz, lista ou fila, são organizados em uma linha reta. Em vez de formar uma ordem sequencial, os dados em estruturas não lineares como uma árvore ou gráfico conectam duas ou mais informações.
#2. Dinâmico e Estático
Datastructures têm seus tamanhos e formas pré-determinados em tempo de compilação, como o nome sugere. A matriz economiza uma quantidade predeterminada de memória para uso futuro. A quantidade de memória disponível em uma estrutura dinâmica pode aumentar ou diminuir dependendo das necessidades do código em execução. A localização da memória conectada também pode mudar com o tempo.
#3. Estados Não Homogêneos e Homogêneos
Estruturas de dados homogêneas são coleções de elementos que têm todos o mesmo tipo de dados, como uma matriz. Os dados em estruturas não homogêneas não precisam ser todos do mesmo tipo.
Tipos de estrutura de dados
Os programadores de computador podem escolher entre várias estruturas de dados diferentes, cada uma com determinados pontos fortes e usos. A seguir estão os tipos de estruturas de dados:
#1. Matrizes
Arrays são usados para agrupar objetos de dados de natureza semelhante. A alocação de memória contígua é usada por essa estrutura para organização de dados. Os usuários de uma matriz atribuem um índice ou chave exclusivo a cada membro da matriz. Arrays são os blocos de construção de estruturas de dados mais complexas, como tabelas de hash e listas. Ao categorizar algoritmos, essa estrutura é frequentemente usada por Cientistas da computação.
#2. Pilhas
Em uma pilha, a operação mais recente é mostrada primeiro porque a pilha segue uma estrutura LIFO (último a entrar, primeiro a sair). Se você inseriu o conjunto de dados “1, 2, 3, 4”, o dígito final, “4”, seria exibido primeiro. Essa organização de dados produz uma pilha ou pilha. Uma estrutura de dados de pilha também é útil para armazenar e recuperar dados onde a ordem de execução é crítica. O layout deste sistema encoraja você a ver cada tarefa até sua conclusão antes de passar para a próxima.
#3. Estruturas de Dados Lineares
Arrays, ou conjuntos finitos de dados, são exemplos de estruturas de dados lineares porque seus membros podem ser recuperados na memória usando uma chave de índice. As listas encadeadas são outro tipo de estrutura de dados linear. Para armazenar itens de lista arbitrariamente na memória, as listas encadeadas os organizam de uma maneira específica.
#4. Estruturas de Dados em Árvore
Estruturas de dados na forma de árvores são hierárquicas por natureza, com o valor raiz e subconjuntos de filhos mostrados como nós vinculados. Existe uma grande variedade de estruturas de dados em árvore, cada uma com suas próprias propriedades exclusivas. Alguns exemplos são árvores binárias, árvores binárias de busca, árvores rubro-negras, árvores com peso balanceado e heaps binários.
#5. Filas
Quando se trata de organização de dados, as filas são preferíveis às pilhas por causa de sua estrutura FIFO (primeiro a entrar, primeiro a sair). Como os dados entram e esperam para sair dessa estrutura linear, eles lembram uma fila. Os dados inseridos inicialmente serão transmitidos primeiro. As filas também são usadas por programadores em computadores para armazenar informações que não precisam ser processadas imediatamente.
#6. listas vinculadas
As listas vinculadas organizam seus “nós” ou objetos de maneira linear, de acordo com os relacionamentos entre eles. A informação e uma referência estão contidas em cada nó. Os dados do nó são as informações que o programador decidiu armazenar ali, enquanto o ponteiro é uma referência ao nó seguinte na sequência. As listas encadeadas são úteis quando você precisa remover itens da lista. No entanto, pilhas e filas também podem ser implementadas com a ajuda deles.
#7. Ignorar listas
Usando um formato de lista encadeada, as listas de salto são um tipo de estrutura de dados probabilística. Uma lista de salto também é uma estrutura de dados que ignora seletivamente alguns dos itens em uma lista maior. O número de itens em uma lista de pular diminui a cada nível, mas nenhum novo item é adicionado. A capacidade de remover, inserir e pesquisar dados rapidamente é um grande benefício das listas de pular para os programadores.
#8. Gráficos
Os gráficos são um tipo especial de lista não ordenada que pode ser usada para representar redes. Eles são compostos de “nós” individuais e os links (ou “bordas”) entre eles. Nesses projetos, X e Y são usados como um par, com o vértice X vinculado ao Y. Os gráficos também ajudam os pesquisadores a examinar redes complexas como ruas de cidades e interações sociais online.
#9. Tentativas
Tries, geralmente conhecidas como “árvores de prefixo”, são um tipo de estrutura de dados semelhante a uma árvore. Eles freqüentemente substituem as letras do alfabeto quando necessário. Os nós da árvore são cadeias de caracteres que podem ser recuperadas pelo programador seguindo a ramificação. Tries pode ajudá-lo a organizar informações condicionadas a um prefixo de string. Sugestões automáticas e pesquisas de dicionário são dois exemplos de como as tentativas são usadas.
#10. Tabelas de hash
Os pares chave-valor são armazenados em tabelas chamadas mapas de hash. Eles geram um código hash, ou índice, nos locais de armazenamento que contêm o valor procurado. Arrays também são uma maneira comum de os programadores de computador armazenarem dados. As tabelas hash podem ser usadas para implementar a estrutura de dados definida, bem como associar matrizes e índices de banco de dados.
Estruturas de dados e algoritmos
Existe um grande abismo entre estruturas de dados e algoritmos. No entanto, a classificação e o acesso eficazes aos dados são possíveis por meio de estruturas de dados, que representam graficamente as relações entre os dados. O software, página da Web, programa ou hardware de um computador só pode executar uma tarefa seguindo as etapas descritas em um algoritmo.
Algoritmos são sequências predeterminadas e discretas de etapas que podem ser executadas por um computador para obter um resultado repetitivo predeterminado. Algoritmos de classificação, algoritmos de busca e algoritmos de caminho mais curto são exemplos de algoritmos. Cada um permite que um computador não apenas recupere as informações relevantes de que precisa, mas também aja em resposta a um determinado comando. Algoritmos otimizados para estruturas de dados particulares podem ser desenvolvidos. Resultados ineficientes podem ser esperados ao aplicar um algoritmo destinado a uma estrutura de dados em outra.
Estruturas de dados em Python
O Python é amplamente utilizado em muitos campos, incluindo, entre outros, desenvolvimento da Web, pesquisa de dados, robótica, ML, IA, IoT e automação de rede, tornando-o uma das linguagens de programação mais usadas no mundo. Ao trabalhar com dados, cada aplicativo requer um local para mantê-los organizados, gerenciá-los e recuperá-los com rapidez e facilidade.
Existem cinco estruturas de dados pré-existentes em Python, e todas são úteis por diferentes motivos. A seguir estão as estruturas de dados em Python:
#1. Lista
Uma lista é uma lista de elementos ordenada dinamicamente. Ele também é capaz de armazenar qualquer estrutura de dados, incluindo números, valores de ponto flutuante, textos, outras listas, tuplas, dicionários e muito mais. Além disso, você pode usar colchetes ([]) ou o construtor list() para criar uma nova lista vazia.
#2. tupla
As tuplas nunca podem ser alteradas porque são listas imutáveis. As estruturas de dados de tupla são ideais para armazenar elementos que você sabe que não serão alterados. Os dias da semana, os meses do ano, as coordenadas GPS de uma determinada área, etc., são exemplos de tais elementos. Em vez de usar colchetes para declarar uma tupla, você usaria parênteses. As tuplas também podem se beneficiar das operações de indexação e divisão.
# 3. Definir
Conjuntos são grupos não classificados de objetos distintos. Em Python, conjuntos não são sequências. Muitas coleções do mundo real carecem de um arranjo predeterminado e não contêm cópias. Números de segurança social, endereços de e-mail, endereços de protocolo de internet (IP), endereços de controle de acesso à mídia (MAC) e assim por diante são apenas alguns exemplos. Estas são apenas coleções de coisas aleatórias e singulares. Não são necessárias duplicações e nenhuma ordem específica. Os conjuntos são uma maneira conveniente de armazenar coleções como essas para uso em software.
#4. Conjunto congelado
Um conjunto congelado é apenas um conjunto que não pode ser alterado de forma alguma. Eles agem e têm as mesmas propriedades dos conjuntos, mas não podem ser alterados de forma alguma. Como resultado, as mutações de conjunto, como add(), update() e assim por diante, não podem ser aplicadas a frozensets. Frozensets, devido à sua imutabilidade, podem ser usados como chaves em dicionários ou como elementos em outro conjunto ou frozenset.
A função frozenset() pode ser usada diretamente para produzir um frozenset, ou outro objeto iterável pode ser usado como um argumento para gerar um frozenset a partir de uma string, lista, tupla ou conjunto.
#5. Dicionário
Python depende muito de seus dicionários. Usamos dicionários como a espinha dorsal de tudo, desde módulos e classes até objetos e até mesmo conjuntos. Um dicionário pode ser comparado a um objeto em JavaScript, um hash em Ruby ou um mapa em Go se você estiver familiarizado com essas linguagens.
Um dicionário em Python também é um array de chaves; pares de valores delimitados por vírgulas e entre chaves. Usando as chaves ou o construtor dict(), um novo dicionário vazio pode ser criado.
Por que as estruturas de dados são importantes?
Os cientistas da computação contam com estruturas de dados para organizar e armazenar grandes quantidades de informações. Ter um sistema confiável instalado pode simplificar a localização do que você precisa. Em entrevistas para cargos de ciência da computação, os candidatos são rotineiramente questionados sobre sua familiaridade com estruturas de dados. Os campos de inteligência artificial (IA), computação gráfica e sistemas operacionais também se beneficiam disso.
Como as estruturas de dados são usadas?
As estruturas de dados são usadas para implementar as formas concretas de tipos de dados abstratos. As estruturas de dados são uma parte essencial de qualquer peça de software bem projetada. Eles também são cruciais para o desenvolvimento de software e a implementação de algoritmos. A seguir, estão as maneiras pelas quais as estruturas de dados são usadas:
#1. Mantendo registros
As estruturas de dados são usadas para persistir dados de forma eficiente em um sistema de gerenciamento de banco de dados, fornecendo o conjunto de características e estruturas correspondentes que serão utilizadas para armazenar entradas.
#2. Gerenciamento de recursos e serviços
Os principais recursos e operações do sistema operacional (SO) dependem de estruturas de dados como listas vinculadas para alocação de memória, gerenciamento de diretórios de arquivos e árvores de estrutura de arquivos e filas de agendamento de processos.
#3. Troca de dados
As estruturas de dados são usadas para organizar dados que são comunicados entre aplicativos, como pacotes TCP/IP.
#4. Ordenando e Classificando
Estruturas de dados como árvores de pesquisa binária, geralmente chamadas de árvores binárias ordenadas ou classificadas, fornecem maneiras úteis de organizar dados, como cadeias de caracteres usadas como tags. Estruturas de dados como filas de prioridade permitem que os programadores gerenciem coleções de objetos em uma ordem predefinida de importância.
#5. Indexação
Estruturas de dados ainda mais complicadas, como árvores B, são usadas para indexar coisas, incluindo aquelas armazenadas em um banco de dados.
#6. Procurando
É uma prática comum construir índices usando árvores B, tabelas de hash ou árvores de busca binária para acelerar a busca de um determinado item.
#7. Escalabilidade
As estruturas de dados são empregadas por aplicativos de big data para garantir desempenho e escalabilidade enquanto alocam e gerenciam o armazenamento de dados em vários locais de armazenamento distribuídos. Muitos ambientes de programação de big data, como o Apache Spark, incluem estruturas de dados que imitam a estrutura subjacente das entradas do banco de dados para facilitar a consulta.
Escolhendo uma estrutura de dados
Veja a seguir maneiras de escolher uma estrutura de dados:
#1. Operações Suportadas
Operações entre tipos de dados que não estão listados na tabela podem ser executadas se o tipo de dados subjacente de um atributo puder ser convertido em um dos tipos para os quais a operação é suportada. Os números podem ser adicionados ou excluídos dos dados. Números inteiros refletem o número de dias que precisam ser adicionados ou subtraídos.
#2. A complexidade da computação
A complexidade computacional de um algoritmo é a quantidade de tempo e espaço de armazenamento que ele requer para ser executado. Para estimar quanto tempo um algoritmo levará para ser executado e quanta memória ele usará, os cientistas da computação usam métricas matemáticas de dificuldade antes de escrever o código. Essas previsões são auxiliares cruciais para os programadores ao decidir e desenvolver algoritmos para uso no mundo real.
#3. Codificação Elegante
Um programa requintado é uma daquelas coisas que todos podem reconhecer imediatamente, mas têm dificuldade em identificar. Faz bom uso da linguagem sem sucumbir à obscuridade. É breve sem recorrer à sintaxe ofuscante. Ele consegue ser fácil de ler e entender na superfície e sofisticado em sua estrutura subjacente. Codificar o mais próximo possível da prosa perfeita é o santo graal de todo programador.
Não há solução fácil ou bala de prata para esse problema. A adoção de padrões de codificação pode ser útil, mas apenas se forem baseados em uma estrutura robusta que garanta que o programador entenda e implemente a essência do problema.
O que são estruturas de dados para leigos?
Entre as ideias mais fundamentais da ciência da computação estão as estruturas de dados e os algoritmos. Eles permitem que os desenvolvedores definam ações que serão repetidas em tempo de execução. Os algoritmos tratam de como uma tarefa é realizada, enquanto as estruturas de dados definem como os dados são organizados.
Qual é a estrutura de dados mais comum?
A estrutura de dados mais comum e básica é uma matriz. Arrays formam a base de muitas outras estruturas de dados, incluindo pilhas e filas.
Qual é a estrutura de dados mais simples?
Entre as ideias mais fundamentais da ciência da computação estão as estruturas de dados e os algoritmos. Eles permitem que os desenvolvedores definam ações que serão repetidas em tempo de execução. Os algoritmos tratam de como uma tarefa é realizada, enquanto as estruturas de dados definem como os dados são organizados. A estrutura de dados mais comum e básica é uma matriz. Arrays formam a base de muitas outras estruturas de dados, incluindo pilhas e filas.
A matriz unidimensional (linear) é a estrutura de dados mais simples, com elementos armazenados e acessados por índices inteiros sucessivos.
Considerações Finais
Uma estrutura de dados é uma maneira de armazenar e organizar informações em um formato digital. Representa um conjunto de valores de dados, as associações entre eles e as possíveis manipulações ou serviços que fornecem. Estruturas de dados são usadas por programadores para transmitir informações entre diferentes partes de um aplicativo ou entre aplicativos. No entanto, as estruturas de dados atendem a quatro propósitos básicos: armazenamento, processamento, manutenção e recuperação.
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Referências
