Những lưu ý về cấu trúc dữ liệu mà lập trình viên không thể bỏ qua

1. Tổng quan về cấu trúc dữ liệu

Cách tổ chức dữ liệu vô cùng quan trọng khi bạn bắt đầu lập trình bất cứ một phần mềm hay ứng dụng nào. Một phần mềm không thể đạt được hiệu quả hoạt động tốt khi dữ liệu không được lưu trữ một cách khoa học.

1.1. Cấu trúc dữ liệu là gì?

Cấu trúc dữ liệu được hiểu là cách sắp xếp, lưu trữ dữ liệu trong máy tính. Cấu trúc data định nghĩa cách tổ chức dữ liệu, xây dựng mối quan hệ giữa các phần tử dữ liệu và các hàng động có thể thực hiện của dữ liệu đó.

Cấu trúc của dữ liệu hoạt động tuân theo các nguyên tắc cơ bản của ngành Khoa học máy tính và Kỹ thuật phần mềm. Nó cung cấp các phương thức, các thuật toán để lập trình viên thực hiện truy xuất, chèn, sắp xếp và xóa dữ liệu.

1.2. Các thao tác phổ biến trong cấu trúc dữ liệu

Các thao tác phổ biến trên cấu trúc của dữ liệu mà các lập trình viên thường xuyên sử dụng gồm có:

Thêm phần tử: bổ sung thêm 1 phần tử vào cấu trúc
Xóa phần tử: xóa 1 phần tử bất kỳ nào đó ra khỏi cấu trúc data
Sắp xếp phần tử: dựa vào tiêu chí nào đó, lập trình viên sẽ sắp xếp phần tử thỏa mãn tiêu chí đề ra.
Tìm kiếm phần tử: lập trình viên tìm kiếm phần tử bất kỳ dựa trên giá trị của phần tử đó
Cập nhật phần tử: chúng ta có thể thay thế hoặc cập nhật một phần tử nào đó trong cấu trúc dữ liệu bằng một phần tử khác.

2. 8 kiểu cấu trúc của dữ liệu thường gặp

Ở phần này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về 8 kiểu cấu trúc thường gặp mà bất cứ lập trình viên nào cũng cần biết.

2.1. Arrays

Array (mảng) là cấu trúc có kích thước cố định. Trong một biến, Array cho phép lưu trữ nhiều giá trị của cùng một kiểu dữ liệu. Thay vì việc bạn phải tạo nhiều biến riêng lẻ, thì bạn chỉ cần sử dụng 1 mảng để lưu trữ các giá trị của dữ liệu. Mảng có thể là một mảng số nguyên hoặc số thực, mảng string hay mảng 2 chiều (mảng của các mảng). Mảng được đánh chỉ mục, người dùng có quyền truy cập ngẫu nhiên vào mảng.

Các phép toán trên mảng mà bạn có thể thực hiện gồm có: cập nhật, tìm kiếm và truy cập ngẫu nhiên tới 1 phần tử bất kỳ trong mảng.

Kiểu cấu trúc mảng thường được lập trình viên sử dụng để xây dựng các cấu trúc khác của dữ liệu hoặc sử dụng trong các thuật toán sắp xếp.

2.2. Linked Lists

Linked Lists (danh sách liên kết) dùng để lưu trữ và tổ chức cá phần tử dưới dạng các node. Các node này thông qua các giá trị tham chiếu để liên kết với nhau. Mỗi node chứa 1 key và 1 con trỏ, được trỏ tới node kế tiếp của nó (được gọi là next). Tail là phần tử cuối cùng của linked list.

Linked Lists được chia làm nhiều loại: singly linked list (danh sách liên kết đơn), doubly linked list (danh sách liên kết đơn), circular linked list (danh sách liên kết vòng). Mỗi loại mang trong nó ưu điểm riêng và đều ứng dụng được vào việc tổ chức, quản lý dữ liệu.

2.3. Stacks

Stacks hay ngăn xếp là cấu trúc dữ liệu dạng LIFO (Last In First Out). Lập trình việc có thể thực hiện 2 hoạt động với một stacks là: Push và Pop. Trong đó:

Push: thêm 1 phần tử vào đỉnh của stack ở cuối
Pop: xóa 1 phần tử khỏi đỉnh của stack ở đầu

Bạn sử dụng kiểu stack khi cần tính toán giá trị của biểu thức và cài đặt lời gọi hàm khi lập trình đệ quy.

2.4. Queue

Cấu trúc data Queue có 2 hoạt động:

Enqueue: thêm 1 phần tử vào phía cuối
Dequeue: xóa 1 phần tử ở phía đầu

Kiểu queue được lập trình viên sử dụng để quản lý thread trong multithreading và cấu hình cài đặt hệ thống hàng đợi.

2.5. Hash

Hash ghi nhận đầu vào là dữ liệu, sau đó trả về 1 giá trị hash duy nhất. Giá trị này có thể là 1 số nguyên hoặc 1 chuỗi ký tự, thường được sử dụng để tìm kiếm dữ liệu hoặc xác định vị trí lưu trữ.

Hàm hash được sử dụng để cài đặt các mảng liên kết hoặc cài đặt kiểu cấu trúc data hoặc cài đặt việc đánh index của cơ sở dữ liệu.

2.6. Graph

Graph (đồ thị) là tập hợp hữu hạn của các các nút và đường đi của các nút này. Bậc của đồ thị được tính bằng số đỉnh của nó, còn kích thước đồ thị được tính bằng số lượng. Graph được chia làm làm 2 loại: đồ thị có hướng và đồ thị vô hướng.

Graph thường được áp dụng vào việc biểu diễn trang web và link trong công cụ tìm kiếm hay biểu diễn vị trí và đường đi GPS.

2.7. Heaps

Heaps là một kiểu cấu trúc data được dùng để tổ chức, quản lý tập hợp của các phần tử có thứ tự. Mỗi phần tử trong heaps được liên kết với một giá trị (còn được gọi là giá trị ưu tiên). Heaps có 2 kiểu: min heap và max heap. Trong đó, min heap thể hiện giá trị node cha nhỏ hơn hoặc bằng giá trị con của nó. Max heap thể hiện giá trị node cha lớn hơn hoặc bằng giá trị con.

Kiểu dữ liệu heaps sử dụng trong thuật toán heapsort, áp dụng để khai báo hàng đợi ưu tiên. Bạn còn có thể dùng heaps để tìm giá trị lớn (hoặc giá trị nhỏ) thứ n của một mảng cho trước.

2.8. Tree

Tree là kiểu cấu trúc dữ liệu phân cấp. Dữ liệu của tree được tổ chức sắp xếp theo thứ bậc, chúng được liên kết với nhau. Có nhiều kiểu tree đã được phát triển như: cây nhị phân tìm kiếm, B-tree, splay tree, treap…

Các ứng dụng cụ thể của kiểu dữ liệu tree như:

Cây nhị phân (Binary Trees): dùng để cài đặt parse và tính toán biểu thức
Cây nhị phân tìm kiếm (Binary Search Tree): áp dụng phổ biến trong ứng dụng tìm kiếm
Heaps: lưu trữ các đối tượng trong JVM (Java Virtual Machine)
Treaps: ứng dụng trong mạng không dây

3. Tầm quan trọng của cấu trúc dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu thật sự cần thiết để giúp bạn quản lý dữ liệu, đặc biệt là khi bạn đang có 1 khối lượng dữ liệu quá lớ. Nếu bạn không biết cách sắp xếp và quản lý lượng dữ liệu đó, bạn sẽ gặp rất nhiều khó khăn quá trình tìm kiếm và xử lý dữ liệu.

Một điều cần lưu ý khi bắt đầu thực hiện là bạn cần phải chọn đúng kiểu cấu trúc data, đảm bảo phù hợp với các tác vụ cần làm. Thời gian chạy chậm hơn, code không phản hồi là 2 trong số những vấn đề mà bạn sẽ gặp phải nếu cấu trúc của dữ liệu không đúng.

4. Lời Kết

Bất cứ lập trình viên nào cũng cần phải học và hiểu rõ về cấu trúc dữ liệu. Bạn có thể dựa vào một số yếu tố để đánh giá cấu trúc data như: loại thông tin lưu trữ, cách sắp xếp dữ liệu, đặt dữ liệu ở đâu, bộ nhớ lưu trữ là bao nhiêu… ICANTECH hy vọng rằng với những chia sẻ ở trên bạn đã có thể bắt tay vào thực hiện và lựa chọn loại cấu trúc dữ liệu phù hợp.

Nếu bạn đang quan tâm đến lập trình web hay python thì hãy tham khảo ngay các khóa học của ICANTECH dưới đây nhé.

Nguồn ảnh: Tự tổng hợp Internet.