ساختمان داده چیست

Q: ساختمان داده چیست؟

ساختار دادهها یا ساختمان دادهها یا داده ساختارها (Data Structure) از بنیادیترین مباحث مورد نیاز جهت یادگیری و درک بسیاری از مفاهیم عمده در علوم رایانه است. سازماندادن دادهها به یک طریق خاص و بر پایهٔ مدل منطقی یا ریاضی که به منظور استفاده بهینه از دادهها صورت میگیرد را یک داده ساختار میگویند.

Q: ساختمان دادههای متداول کدامند؟

پرکاربردترین ساختمان دادهها عبارتند از: آرایه، پشته، صف، لیست پیوندی، درخت، گراف.

Q: تفاوت ساختمان داده و الگوریتم چیست؟

ساختمان دادهها برای دریافت دادهها توسط کامپیوتر جهت پیاده سازی و اجرای الگوریتمها مورد استفاده قرار میگیرند، اما الگوریتمها دستورالعملهایی هستند که بر روی دادهها اعمال میشوند.

نیاز به ساختمان داده

همانطور که برنامه‌ها پیچیده‌تر می‌شوند و مقدار داده‌ها روزبه‌روز افزایش می‌یابد، ممکن است مشکلاتی در سرعت پردازش، جستجوی داده‌ها، رسیدگی به درخواست‌های متعدد و غیره به‌وجود آید. با کمک ساختمان داده می‌توان انواع داده را به‌راحتی پیمایش کرد و نقش مهمی در افزایش عملکرد یک برنامه دارد، زیرا وظیفه اصلی برنامه ذخیره و بازیابی اطلاعات کاربر در سریع‌ترین زمان ممکن است. برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به درس ساختمان داده می‌توانید به مقاله زیر مراجعه کنید.

حتما بخوانید :

ساختمان داده چیست؟ آموزش ساختمان داده به زبان ساده

چرا باید ساختمان داده‌ها را یاد بگیریم؟

ساختمان داده‌ها و الگوریتم‌ها دو مورد از مهم‌ترین جنبه‌های علم کامپیوتر هستند. ساختمان‌های داده به ما امکان سازماندهی و ذخیره داده‌ها را می‌دهند، در حالی که الگوریتمالگوریتم چیست به زبان ساده و با مثال های فراواندر این مقاله به زبان بسیار ساده و با مثال های متعدد توضیح داده شده که الگوریتم چیست و چه کاربردهایی دارد به ما اجازه می‌دهد آن داده‌ها را به روشی معنادار پردازش کنیم. یادگیری ساختمان داده‌ها و الگوریتم‌ها به شما کمک می‌کند تا برنامه نویس بهتری شوید. شما قادر خواهید بود کدی بنویسید که کارآمدتر و قابل اعتمادتر باشد، همچنین قادر خواهید بود مشکلات را سریعتر و موثرتر حل کنید.

انواع ساختمان داده‌ها

ساختمان داده‌های خطی

ساختمان داده خطی شامل عناصر داده‌ای است که به صورت متوالی مرتب شده‌اند و در آن هر عنصر به عنصر قبلی و بعدی خود متصل است. عناصر به‌صورت متوالی و خطی در حافظه کامپیوترکامپیوتر چیست؟ ⚡️ کامپیوتر چیست به زبان سادهاین مقاله عالی توضیح داده که کامپیوتر چیست و چه کاربردی دارد و همه چیز درباره کامپیوتر از جمله فواید کامپیوتر و تعریف کامپیوتر و اجزای آن را بیان کرده است ذخیره می‌شوند، پیاده‌سازی ساختمان داده‌های خطی بسیار آسان است و تنها در یک اجرا می‌توان به داده‌ها دسترسی داشت و آنها را پیمایش کرد.

برخی از نمونه‌های ساختمان داده‌های خطی عبارتند از:

آرایه (Array)
پشته (Stack)
صف (Queue)
لیست پیوندی (Linked List)

آرایه (Array)

به مجموعه‌ای از داده‌های پشت سر هم حافظه که همگی از یک نوع بوده و از آدرس مشخصی شروع می‌شوند، آرایه گفته می‌شود. آرایه ساده‌ترین ساختمان داده‌ای است که در آن می‌توان به هر داده مستقیماً تنها با استفاده از شماره اندیس آن دسترسی داشت.

پشته (Stack)

پشتهساختمان داده پشته ⚡️ پشته چیست؟ کاربرد پشته در ساختمان دادهاین مقاله عالی توضیح داده که پشته چیست و کاربرد پشته در ساختمان داده چیست، همچنین نحوه کارکرد پشته، پیاده سازی پشته و عملیات های پشته را معرفی کرده یک ساختمان داده خطی است که از قانون (First In – Last Out) FILO پیروی می‌کند، یعنی در آن آخرین عنصری که وارد پشته می‌شود، اولین عنصری است که از آن خارج می‌شود و اعمال درج و حذف هر دو از یک جهت انجام می‌شوند. عملیات اصلی روی پشته عبارتند از :

Push : یک عنصر را به پشته اضافه می‌کند.
Pop : یک عنصر را از پشته حذف می‌کند.
Top : عنصر بالای پشته را برمی‌گرداند.
IsEmpty : اگر پشته خالی باشد مقدار True برمی‌گرداند.

صف (Queue)

صفصف در ساختمان داده⚡️آموزش+انواع+مثالاین مقاله عالی به بررسی و آموزش صف در ساختمان داده ها پرداخته و همچنین صف خطی و صف حلقوی و پیاده سازی و عملیات روی هر یک و کاربردهای صف را بررسی کرده یک ساختمان داده خطی است که در آن عناصر فقط از یک سمت (که آن را با نام Rear می‌شناسیم) درج می‌شوند و از سمت دیگر (که آن را با نام Front می‌شناسیم) حذف می‌شوند. Rear به آخرین عنصر اشاره می‌کند و Front به یک عنصر قبل از عنصر ابتدایی اشاره می‌کند. صف از قانون (First In – First Out)FIFO پیروی می‌کند. عملیات اصلی روی این ساختمان داده عبارتند از:

Deque : یک عنصر را از صف حذف می‌کند.
Enqueue : یک عنصر را در صف درج می‌کند.
IsFull : اگر صف پر باشد مقدار True برمی‌گرداند.
IsEmpty : اگر صف خالی باشد مقدار True برمی‌گرداند.

لیست پیوندی (Linked List)

لیست پیوندی یک ساختمان داده خطی است که برای حفظ ساختار لیست مانند عناصر در حافظه کامپیوتر استفاده می‌شود. در این ساختمان داده عناصر در قالب نود ذخیره می‌شوند که هر نود از دو بخش داده و اشاره‌گرتشکیل شده است. عناصر در حافظه در خانه‌های پیوسته قرار ندارند اما هر نود به کمک یک اشاره‌گر به نود مجاور خود پیوند داده می‌شود. داده‌ها در یک لیست پیوندی ممکن است به هر شکل اعم از رشته، اعداد و یا کاراکتر به‌صورت منحصربفرد و یا تکراری ذخیره شوند. اشاره‌گر Head به اولین عنصر لیست اشاره می‌کند.

ساختمان داده‌های خطی شامل دو نوع هستند:

ساختمان داده ایستا (Static Data Structure): ساختمان‌های داده ایستا، ساختمان‌های داده‌ای هستند که اندازه آنها در زمان کامپایل تخصیص داده می‌شود. از این رو، حداکثر اندازه آن‌ها ثابت است و قابل تغییر نیست.
ساختمان داده پویا (Dynamic Data Structure): ساختمان‌های داده پویا، ساختمان‌های داده‌ای هستند که اندازه آنها در زمان اجرا تخصیص می‌یابد. از این رو، حداکثر اندازه آن‌ها انعطاف‌پذیر است و می‌تواند بر اساس نیاز تغییر کند.

حتما بخوانید :

تفاوت ساختمان داده های خطی و غیرخطی

ساختمان داده‌های غیرخطی

در این نوع ساختمان داده، عناصر به‌صورت متوالی ذخیره نمی‌شوند و از یک رابطه سلسله مراتبی بین عناصر به‌نام پدر و فرزند استفاده می‌کنند. به عبارت دیگر داده‌ها از طریق ایجاد یک رابطه به یکدیگر متصل می‌شوند. در ساختار‌‌های خطی هر عنصر می‌توانست به دو عنصر (قبل و یا بعد از خود) متصل شود، در حالی‌که در ساختارهای غیرخطی امکان اتصال هر عنصر به بیش از دو عنصر دیگر امکان‌پذیر است.

رایج‌ترین ساختمان داده‌های غیرخطی عبارتند از:

درخت (Tree)
گراف (Graph)

درخت(Tree)

درخت یک ساختمان داده سلسله مراتبی است که از مجموعه‌ای از گره‌ها تشکیل شده که به کمک یال‌ها به هم متصل شده‌اند.درخت از رابطه‌ی پدر – فرزندی پیروی می‌کند. بالاترین گره، گره ریشه و پایین‌ترین گره، برگ نام دارد. هرگره تنها یک والد دارد اما می‌تواند چندین فرزند داشته باشد. در درخت‌ها از گره ریشه تا هر گره دیگر تنها یک مسیر وجود دارد. انواع درخت‌ها در ساختمان داده‌ها:

درخت عمومی (General Tree)
درخت دودویی (Binary Tree)
درخت جستجوی دودویی (Binary Search Tree)
درخت جستجوی دودویی با ارتفاع متوازن (AVL Tree)
درخت قرمز – سیاه (Red-Black Tree)
درخت N تایی (N-Ary Tree)

گراف (Graph)

گراف یک نمایش تصویری از مجموعه‌ای از اشیاء است که با پیوندهایی به نام یال‌ها متصل شده اند. گره‌های به هم پیوسته با نقاطی به نام رئوس نشان داده می‌شوند و پیوندهایی که راس‌ها را به هم متصل می کنند یال نامیده می‌شوند. راس‌ها برای ذخیره داده‌ها به کار می‌روند و یال‌ها ارتباط بین گره‌ها را نشان می‌دهند. تفاوت میان درخت و گراف در این است که قانون مشخصی برای ارتباط میان نودها وجود ندارد. گراف کاربرد زیادی در دنیای واقعی مانند شبکه‌های مخابراتی دارد. انواع گراف:

گراف ساده (Simple Graph)
گراف چندگانه (Multi Graph)
گراف متناهی (Finite Graph)
گراف نامتناهی (Infinite Graph)
گراف کامل (Complete Graph)
گراف منظم (Regular Graph)
گراف دوبخشی (Bipartite Graph)
گراف پوچ (Null Graph)

حتما بخوانید :

معرفی کامل نظریه گراف (Graph Theory)

عملیات روی ساختمان داده‌ها

عملیات رایجی که می‌توان روی ساختمان‌های داده انجام داد به شرح زیر است:

جستجو (Searching): ما می‌توانیم به راحتی هر عنصر داده‌ای را در یک ساختار داده جستجو کنیم. الگوریتم‌های مختلفی برای جستجو وجود دارد مانند: BFS و DFSالگوریتم جستجوی اول عمق ⚡️ آموزش الگوریتم dfs گرافدر این مقاله عالی الگوریتم جستجوی اول عمق بررسی و الگوریتم dfs گراف آموزش داده شده و مثال ها و پیاده سازی و کاربردهای الگوریتم جستجوی اول (DFS) عمق بیان شده و...
مرتب سازی (Sorting): می توانیم عناصر را به ترتیب صعودی یا نزولی مرتب کنیم. الگوریتم‌های مختلفی برای مرتب‌ سازی وجود دارد مانند: مرتب سازی حبابیآموزش مرتب سازی حبابی (Bubble Sort) بصورت 0 تا 100این صفحه مرتب سازی حبابی (Bubble Sort) را بصورت 0 تا 100 آموزش داده و کدهای مرتب سازی حبابی در C++، پایتون و جاوا آورده شده است شده، مرتب سازی ادغامیآموزش مرتب سازی ادغامی بصورت 0 تا 100این صفحه مرتب سازی ادغامی را بصورت 0 تا 100 آموزش داده و مثال مرتب سازی ادغامی آورده شده است، همچنین بهترین، متوسط و بدترین حالت مرتب سازی ادغامی بررسی شده، مرتب سازی سریعآموزش مرتب سازی سریع بصورت 0 تا 100این صفحه مرتب سازی سریع را بصورت 0 تا 100 آموزش داده و مثال مرتب سازی سریع آورده شده است، همچنین بهترین، متوسط و بدترین حالت مرتب سازی سریع بررسی شده، مرتب سازی درجیآموزش الگوریتم مرتب سازی درجی (Insertion Sort) 0 تا 100در این صفحه مرتب سازی درجی (Insertion Sort) به بهترین روش ممکن آموزش داده شده و روش‌های محتلف پیاده‌سازی الگوریتم مرتب سازی درجی بیان شده است. .
درج (Insertion): می‌توانیم عناصر داده جدیدی را در ساختار داده وارد کنیم.
حذف (Deletion): می توانیم عناصر داده را از ساختار داده حذف کنیم.
به‌روزرسانی (Updation): می توانیم عناصر موجود را از ساختار داده به روز کنیم یا جایگزین کنیم.

مزایای ساختمان داده

ساختار داده‌ها امکان ذخیره اطلاعات را بر روی هارد دیسک فراهم می‌کند.
ساختا‌های داده برای طراحی الگوریتم‌های کارآمد ضروری هستند.
قابلیت استفاده مجدد و انتزاع را فراهم می‌کند.
استفاده از ساختا‌رهای داده مناسب می‌تواند به برنامه‌نویسان کمک کند تا در زمان انجام عملیاتی مانند ذخیره‌سازی، بازیابی یا پردازش داده‌ها، زمان خوبی را صرفه‌جویی کنند.
دستکاری حجم زیاد داده آسان‌تر است.

کاربردهای ساختمان داده

سازماندهی داده‌ها در حافظه کامپیوتر
نمایش اطلاعات در پایگاه دادهپایگاه داده چیست؟ – انواع، مفاهیم و کاربردهاپایگاه داده چیست؟ این مقاله به بررسی این موضوع و همچنین انواع پایگاه داده، کاربردهای پایگاه داده، محبوب ترین پایگاه های داده و اجزای اصلی پایگاه داده پرداخته
الگوریتم‌هایی که از طریق داده‌ها جستجو می‌کنند (مانند موتور جستجو Search Engine)
الگوریتم‌هایی که داده‌ها را دستکاری می‌کنند (مانند یک واژه پرداز Word Processor)
الگوریتم‌هایی که داده‌ها را تجزیه و تحلیل می‌کنند (مانند داده کاوی Data Miner)
الگوریتم‌هایی که داده تولید می‌کنند (مانند تولید کننده اعداد تصادفی Random Number Generator)
الگوریتم‌هایی که داده‌ها را فشرده و از حالت فشرده خارج می‌کنند (مانند یک ابزار فشرده‌سازی Zip Utility)
الگوریتم‌هایی که داده‌ها را رمزگذاری و رمزگشایی می‌کنند (مانند یک سیستم امنیتی Security System)
نرم‌افزاری که فایل‌ها و دایرکتوری‌ها را مدیریت می‌کند (مانند مدیر فایل File Manager)

حتما بخوانید :

کاربرد ساختمان داده ⚡️ کاربرد ساختمان داده در کامپیوتر

جمع‌بندی

همانطور که روزبه‌روز برنامه‌ها پیچیده‌تر می‌شوند و مقدار داده‌ها افزایش پیدا می‌کند نیاز به طراحی و ساخت ساختارهای داده‌ پیچیده‌تری احساس می‌شود. یادگیری ساختارهای داده، درک آسان زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف را امکان‌پذیر می‌کند، بنابراین اولین قدم مهم برای یک برنامه نویس خوب، داشتن درک اولیه از مفاهیم ساختار داده است. در این مقاله سعی کردیم شما را با انواع ساختار داده و تفاوت آن‌ها آشنا کنیم و همچنین برخی از مزایا و کاربردهای ساختارهای داده و عملیات رایج روی آن‌ها را ذکر کردیم.

ساختمان داده چیست؟

ساختار داده‌ها یا ساختمان داده‌ها یا داده ساختارها (Data Structure) از بنیادی‌ترین مباحث مورد نیاز جهت یادگیری و درک بسیاری از مفاهیم عمده در علوم رایانه است. سازمان‌دادن داده‌ها به یک طریق خاص و بر پایهٔ مدل منطقی یا ریاضی که به منظور استفاده بهینه از داده‌ها صورت می‌گیرد را یک داده ساختار می‌گویند.

ساختمان داده‌های متداول کدامند؟

پرکاربردترین ساختمان داده‌ها عبارتند از: آرایه، پشته، صف، لیست پیوندی، درخت، گراف.

تفاوت ساختمان داده و الگوریتم چیست؟

ساختمان داده‌ها برای دریافت داده‌ها توسط کامپیوتر جهت پیاده سازی و اجرای الگوریتم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما الگوریتم‌ها دستورالعمل‌هایی هستند که بر روی داده‌ها اعمال می‌شوند.