Cấu trúc dữ liệu (Data structure) là gì? Các loại data structure

Trong khoa học máy tính, data structure rất quan trọng để dữ liệu có thể được truy cập và sử dụng một cách dễ dàng. Bài viết sau đây sẽ giải thích cho bạn cấu trúc dữ liệu là gì và các dạng phổ biến nhất.

Xem thêm:

• Https là gì? Vì sao nên dùng giao thức https?
• Dịch vụ thiết kế Website chuyên nghiệp uy tín tại Hồ Chí Minh
• TOP 12 ngôn ngữ thiết kế website 2023 – Nên thiết kế web bằng ngôn ngữ gì?

Cấu trúc dữ liệu là gì?

Cấu trúc dữ liệu là gì? Cấu trúc dữ liệu (Data structure) là cách sắp xếp và lưu trữ dữ liệu trong máy tính để có thể truy cập và xử lý một cách hiệu quả. Nó định nghĩa cách mà dữ liệu được tổ chức, quan hệ giữa các phần tử dữ liệu và các thao tác có thể thực hiện trên dữ liệu đó.

Cấu trúc dữ liệu cung cấp các phương thức và thuật toán để thao tác, truy xuất, chèn, xóa và sắp xếp dữ liệu. Cấu trúc dữ liệu giúp tăng tính hiệu quả và hiệu suất khi làm việc với dữ liệu trong các ứng dụng máy tính.

Vì sao cấu trúc dữ liệu lại quan trọng?

Các kiểu dữ liệu cơ bản, chẳng hạn như số nguyên và số thập phân động có mặt trong hầu hết các ngôn ngữ lập trình nhưng không đủ để biểu diễn sự logic cho xử lý và sử dụng dữ liệu.

Tuy nhiên, các ứng dụng xử lý dữ liệu phải hiểu cách dữ liệu được tổ chức để đơn giản hóa quá trình xử lý. Data structure kết hợp với các thành phần dữ liệu một cách logic và tạo điều kiện để sử dụng, lưu trữ và chia sẻ dữ liệu hiệu quả. Chúng cung cấp một mô hình mẫu mô tả cách các thành phần dữ liệu được tổ chức.

Cấu trúc dữ liệu là nền tảng cho các ứng dụng phức tạp. Chúng được tạo ra bằng cách kết hợp các thành phần dữ liệu thành một đơn vị logic đại diện cho một loại dữ liệu trừu tượng (abstract data) có liên quan đến thuật toán hoặc ứng dụng. Ví dụ, dữ liệu trừu tượng là “tên khách hàng” thì thành phần dữ liệu sẽ là “tên”, “tên đệm” và “họ”.

Lựa chọn cấu trúc dữ liệu không phù hợp có thể dẫn đến thời gian chạy (runtime) chậm hoặc mã không phản hồi. Có năm yếu tố cần xem xét khi chọn cấu trúc dữ liệu, bao gồm:

1. Loại thông tin được lưu trữ là gì?
2. Những thông tin đó được sử dụng ra sao?
3. Dữ liệu nên tồn tại hoặc được lưu trữ ở đâu sau khi được tạo ra?
4. Cách tốt nhất để sắp xếp dữ liệu là gì?
5. Các khía cạnh nào về quản lý bộ nhớ và lưu trữ cần được xem xét?

Các đặc tính của Data structure là gì?

Cấu trúc dữ liệu thường được phân loại theo đặc tính của chúng. Sau đây là ba đặc tính được dùng để phân loại data structure:

• Tuyến tính hoặc phi tuyến tính: Đặc tính này mô tả liệu các mục dữ liệu được sắp xếp theo thứ tự hay không.
• Đồng nhất hoặc không đồng nhất: Đặc tính này mô tả liệu tất cả các mục dữ liệu trong một kho lưu trữ nhất định có cùng loại hay không.
• Tĩnh hoặc động: Đặc tính này mô tả cách các cấu trúc dữ liệu được biên dịch. Data structure tĩnh có kích thước, cấu trúc và vị trí bộ nhớ cố định tại thời điểm biên dịch. Data structure động có kích thước, cấu trúc và vị trí bộ nhớ có thể thu nhỏ hoặc mở rộng, tùy thuộc vào việc sử dụng.

Data structure được sử dụng ra sao?

Cấu trúc dữ liệu là một phần quan trọng để thiết kế phần mềm hiệu quả. Chúng cũng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế thuật toán và cách những thuật toán đó được sử dụng trong các chương trình máy tính. Cấu trúc dữ liệu có thể được sử dụng để:

• Lưu trữ và truy xuất dữ liệu: Cấu trúc dữ liệu như mảng, danh sách, hàng đợi và cây được sử dụng để lưu trữ và truy xuất dữ liệu một cách có tổ chức và hiệu quả. Chúng cho phép truy cập và thao tác dữ liệu một cách nhanh chóng và dễ dàng.
• Tìm kiếm và sắp xếp: Cấu trúc dữ liệu như cây nhị phân, hash map và đồ thị được sử dụng để thực hiện các phép tìm kiếm và sắp xếp dữ liệu. Chúng cung cấp các thuật toán tối ưu để tìm kiếm phần tử cụ thể hoặc sắp xếp dữ liệu theo một tiêu chí nhất định.
• Quản lý dữ liệu: Cấu trúc dữ liệu được sử dụng để quản lý và mô hình hóa các mối quan hệ và liên kết giữa các đối tượng hoặc dữ liệu. Chúng cho phép xác định các mối quan hệ phức tạp và thực hiện các phép toán liên quan đến dữ liệu liên quan.
• Tối ưu hóa hiệu suất: Sử dụng các cấu trúc dữ liệu phù hợp có thể cải thiện hiệu suất và thời gian chạy của chương trình. Lựa chọn đúng cấu trúc dữ liệu có thể giảm thiểu số lần truy cập đến dữ liệu, giảm bớt thời gian thực thi và tối ưu hóa tài nguyên máy tính.
• Tạo các dạng dữ liệu phức tạp: Cấu trúc dữ liệu cho phép tạo ra các dạng dữ liệu phức tạp hơn như hàng đợi ưu tiên, cấu trúc dữ liệu đa chiều, đồ thị định hướng, và nhiều hơn nữa. Chúng mở rộng khả năng biểu diễn và xử lý dữ liệu trong các ứng dụng phức tạp.

Cấu trúc dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và triển khai các ứng dụng phức tạp. Sử dụng cấu trúc dữ liệu phù hợp giúp cải thiện hiệu suất, tổ chức và quản lý dữ liệu, và đảm bảo tính nhất quán và hiệu quả của chương trình.

Các loại dữ liệu cơ bản

Nếu cấu trúc dữ liệu là những viên gạch để xây dựng ra các thuật toán và chương trình máy tính thì kiểu dữ liệu chính là những viên gạch để tạo nên cấu trúc dữ liệu. Các kiểu dữ liệu điển hình bao gồm:

• Boolean: kiểu dữ liệu để biểu thị hai giá trị “đúng” (true) hoặc “sai” (false).
• Số nguyên: kiểu dữ liệu được sử dụng để biểu diễn các số nguyên không có phần thập phân.
• Các số thập phân động (floating-point numbers): kiểu dữ liệu biểu diễn các số có phần thập phân.
• Số thập phân cố định (fixed-point numbers): kiểu dữ liệu sử dụng để biểu diễn các số có phần thập phân cố định.
• Ký tự: kiểu dữ liệu biểu diễn ký tự, mỗi ký tự được biểu diễn bằng một mã số trong bảng ký tự ASCII hoặc Unicode.
• Con trỏ (Pointers): không phải là một kiểu dữ liệu cụ thể mà là các giá trị tham chiếu trỏ đến các giá trị khác.
• Chuỗi: kiểu dữ liệu được sử dụng để biểu diễn và lưu trữ các chuỗi ký tự, có thể bao gồm chữ cái, chữ số, dấu câu và các ký tự đặc biệt khác.

Các dạng data structure phổ biến

Có nhiều loại cấu trúc dữ liệu khác nhau, mỗi loại có điểm mạnh và điểm yếu riêng. Việc lựa chọn sử dụng cấu trúc dữ liệu phụ thuộc vào kiểu thuật toán hoặc ứng dụng cụ mà người dùng muốn xây dựng. Sau đây là một số dạng data structure phổ biến:

Array

Mảng (array) là một cấu trúc dữ liệu trong lập trình dùng để lưu trữ một tập hợp các phần tử có cùng kiểu dữ liệu. Bạn có thể tưởng tượng mảng như một dãy ô được đánh số thứ tự, trong đó mỗi ô chứa một giá trị.

Những con số chỉ vị trí chính xác của một phần tử trong tập hợp dữ liệu. Từ đó, chúng ta có thể tìm kiếm và truy xuất dữ liệu nhanh chóng và dễ dàng.

Linked List

Trong cấu trúc dữ liệu, “linked list” (danh sách liên kết) được sử dụng để lưu trữ và tổ chức các phần tử dưới dạng các “node” liên kết với nhau thông qua các tham chiếu. Mỗi node chứa dữ liệu và một con trỏ hoặc tham chiếu đến node tiếp theo trong danh sách.

Danh sách liên kết có nhiều loại, bao gồm danh sách liên kết đơn (singly linked list), danh sách liên kết đôi (doubly linked list) và danh sách liên kết vòng (circular linked list). Mỗi loại có ưu điểm và ứng dụng riêng trong việc tổ chức và quản lý dữ liệu.

Stack

Một stack (ngăn xếp) lưu trữ và quản lý dữ liệu theo cơ chế LIFO (Last In, First Out), tức nhập sau – xuất trước. Stack có hai phép toán chính: “push” để thêm một phần tử vào đỉnh ngăn xếp và “pop” để lấy ra phần tử ở đỉnh ngăn xếp.

Queue

Trong cấu trúc dữ liệu, Queue lưu trữ và quản lý các phần tử theo cơ chế ngược lại với Stack là FIFO (First In, First Out). Trong đó phần tử đầu tiên được thêm vào là phần tử đầu tiên được lấy ra, hay nhập trước – xuất trước.

Queue gồm hai phép toán chính: “enqueue” để thêm một phần tử vào cuối hàng đợi và “dequeue” để lấy ra phần tử từ đầu hàng đợi. Phép toán enqueue thực hiện việc đưa một phần tử vào cuối hàng đợi, trong khi phép toán dequeue lấy ra và loại bỏ phần tử ở đầu hàng đợi.

Tree

Cây lưu trữ một tập hợp các phần tử theo hình thức phân cấp. Cây được hình thành từ các “node” (nút) và các liên kết giữa chúng. Một cây bao gồm một node gốc và các node con được liên kết với node gốc thông qua các cạnh. Mỗi node có thể có nhiều node con, và mỗi node con có thể chứa các node con khác.

Heap

Heap là một kiểu data structure được sử dụng để tổ chức và quản lý một tập hợp các phần tử có thứ tự. Trong một heap, mỗi phần tử được gắn kết với một giá trị gọi là “độ ưu tiên” hoặc “giá trị ưu tiên”. Phần tử có giá trị ưu tiên cao hơn được coi là quan trọng hơn và có ưu tiên cao hơn trong việc truy xuất và xử lý.

Graph

Graph (đồ thị) là một kiểu dữ liệu được sử dụng để biểu diễn mối quan hệ giữa các đối tượng. Một đồ thị được hình thành bởi một tập hợp các “đỉnh” (vertices) và các “cạnh” (edges). Mỗi đỉnh trong đồ thị đại diện cho một đối tượng hoặc một sự kiện, và các cạnh đại diện cho các mối quan hệ giữa các đối tượng đó.

Đồ thị được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng, bao gồm mạng máy tính, hệ thống giao thông, phân tích mạng xã hội, thuật toán tìm kiếm và xử lý dữ liệu.

Trie

Trong data structure, “trie” được sử dụng để lưu trữ và tìm kiếm các chuỗi ký tự. Mỗi nút trong trie đại diện cho một ký tự và có các liên kết đến các nút con, biểu thị các ký tự tiếp theo trong chuỗi. Nó được thiết kế để hiệu quả trong việc xử lý và tìm kiếm các từ vựng, từ điển hoặc các phần tử có cấu trúc tương tự.

Một trie có thể được sử dụng trong việc lưu trữ và tìm kiếm từ điển, bộ từ khóa, tự động hoàn thiện từ, phân tích cú pháp và nhiều ứng dụng khác liên quan đến xử lý và tìm kiếm các chuỗi ký tự.

Hash

Bảng hash là một cấu trúc dữ liệu sử dụng hàm hash để lưu trữ dữ liệu. Hàm hash (hash function) là một hàm toán học đơn giản nhận đầu vào là dữ liệu và trả về một giá trị hash (hash value) duy nhất. Giá trị này thường là một số nguyên hoặc một chuỗi được sử dụng để xác định vị trí lưu trữ hoặc tìm kiếm dữ liệu.

Lời kết

Bài viết trên đã giải thích cho bạn cấu trúc dữ liệu là gì cũng như những dạng data structure phổ biến trong thực tế. Hy vọng Miko Tech đã cho bạn những thông tin hữu ích và giải đáp được những thắc mắc của bạn.