ساختمان داده چیست و چه انواع، ویژگی‌ها و کاربردهایی دارد؟

ساختمان داده چیست و چقدر این مفهوم را می‌شناسید؟ در این مطلب به سراغ ساختمان داده یا Data Structures رفته‌ایم و آن را به‌صورت جامع توضیح داده‌ایم. در این مطلب گفته‌ایم که ساختمان داده چیست و اهمیت ساختارهای داده به چه دلیل است، انواع داده‌های پایه و انواع ساختمان داده‌ها و ویژگی‌ها و کاربردهای آن را توضیح داده‌ایم.

ساختمان داده و اهمیت آن در علم کامپیوتر

داده‌ها حیاتی‌ترین موجودیت در علم کامپیوتر هستند؛ بنابراین پژوهش درباره‌ی روش‌های گوناگون سازمان‌دهی، ذخیره و نگهداری، پردازش و بازیابی اطلاعات و داده‌ها در سیستم‌های کامپیوتری بسیار مهم است؛ به‌همین علت ما از ساختمان‌های داده یا ساختارهای داده (Data Structures) استفاده می‌کنیم.

چندین نوعِ ساده و پیشرفته از ساختمان‌های داده وجود دارند که همگی برای چیدمان داده‌ها، متناسب با یک هدف خاص، طراحی شده‌اند که دسترسی و کار با داده‌های موردنیاز کاربران را آسان کرده اطلاعات را به‌گونه‌ای سازمان‌دهی می‌کنند که ماشین‌ها و انسان‌ها بتوانند آن را بهتر درک کنند.

کاربردهای رو به رشد و متفاوت علوم داده یادگیری ماشین و برنامه‌نویسی در زندگی امروز ما ضرورت هر چه بیشتر آموزش درس ساختمان داده را آشکار می‌کند.

درس ساختمان داده چیست و چه هدفی دارد؟

ساختارهای داده برای دریافت داده‌ها توسط کامپیوتر با هدف پیاده‌سازی و اجرای الگوریتم‌ها استفاده می‌شوند.

ساختمان داده و طراحی الگوریتم موضوع‌هایی هستند که همواره با هم مطرح می‌شوند، به‌طوری که الگوریتم روی داده‌ها کار می‌کند و آن‌ها را پردازش می‌کند (درواقع الگوریتم ما روی داده‌ها اجرا می‌شود). برای اینکه بتوانیم این امکان را برای الگوریتم فراهم کنیم تا راحت‌تر بتواند داده‌ها را پردازش بکنند باید بتوانیم داده‌ها را به‌شکل مناسب ذخیره یا سازمان‌دهی کنیم. درسی که هنر ذخیره‌سازی مناسب داده‌ها را به ما یاد می‌دهد ساختمان داده‌ها است.

هدف اصلی درس ساختمان داده و طراحی الگوریتم ارائه مبانی نظری موردنیاز برای کسب مهارت لازم در حل مسئله (Problem Solving) به‌کمک کامپیوتر است.

هر ساختمان داده چگونگی آرایش داده‌ها در حافظه‌ی کامپیوتر را با مدل خاصی مشخص می‌کند؛ به‌گونه‌ای که هر یک به‌منظور و هدف خاص خود نیاز ما را برطرف می‌کند. برنامه‌ای خوب است که هم ساختمان داده مناسب داشته باشد و هم الگوریتم خوبی برای آن نوشته شود؛ درنتیجه سازمان‌دهی داده‌ها بر پایه‌ی الگوریتم‌های منطقیِ ریاضیِ مناسب اهمیت دارد. هر ساختار داده حاوی اطلاعاتی درمورد مقادیر داده‌ها، روابط میان داده‌ها و در برخی موارد توابعی است که می‌تواند روی داده اعمال شود.

اهمیت ساختارهای داده کجاست؟

شناخت انواع داده‌های پایه‌ای، مانند اعداد صحیح یا اعشاری که در اکثر زبان‌های برنامه نویسی کامپیوتر موجود هستند، عموماً به تنهایی برای پردازش و استفاده از داده‌ها کافی نیستند؛ بااین‌حال برنامه‌هایی که اطلاعات را دریافت، دست‌کاری و تولید می‌کنند باید درک کنند چگونه داده‌ها باید سازمان‌دهی شوند تا پردازش را ساده کنند.

ساختارهای داده عناصر داده را به‌روشی منطقی گرد هم می‌آورند و استفاده‌ی مؤثر، تداوم و به‌اشتراک‌گذاری داده‌ها را تسهیل می‌کنند. آن‌ها مدلی ارائه می‌کنند که نحوه‌ی سازمان‌دهی عناصر داده را توصیف می‌کند.

استفاده از ساختمان‌های داده، نه‌تنها مهم است، انتخاب ساختمان داده مناسب برای هر کار نیز اهمیت دارد. انتخاب یک ساختمان داده نامناسب می‌تواند به کندی زمان اجرا یا پاسخگونبودن کد بینجامد. پنج عاملی که هنگام انتخاب یک ساختمان داده باید در نظر گرفته شود از این قرار است:

• چه نوع اطلاعاتی ذخیره خواهند شد؟ منظور این است که اطلاعاتی که قصد ذخیره‌ی آن‌ها را داریم از چه نوعی (Type) هستند، عدد صحیح یا اعداد گویای میان ۰ و ۱ یا…؟
• چگونه از آن اطلاعات استفاده خواهد شد؟
• داده‌ها پس از ایجاد باید در کجا نگهداری شوند، در RAM یا در Disk یا…؟
• بهترین راه برای سازمان‌دهی داده‌ها چیست؟ بهترین گزینه برای سازمان‌دهی داده‌ها با توجه اهداف و محدودیت‌های‌مان، مانند مرتبه‌ی زمانی در جست‌وجو (Search) یا در پیاده‌سازی و…، استفاده از کدام ساختمان داده است؟
• چه جنبه‌هایی از مدیریت حافظه و ذخیره‌سازی باید در نظر گرفته شوند؟ برای مثال، استفاده از حافظه با مدیریت FIFO بیشتر به کارمان می‌آید یا مثلاً LIFO یا Random Access و…؟

انواع داده‌های پایه چیست؟

اگر ساختمان‌های داده بلوک‌های سازنده‌ی الگوریتم‌ها و برنامه‌های کامپیوتری باشند، انواع داده‌های پایه بلوک‌های این ساختمان هستند. انواع داده‌های پایه این موارد را شامل است:

• بولی (Boolean): این نوع داده‌ها مقادیر منطقی درست (True) یا نادرست (False) را ذخیره می‌کنند.
• عدد صحیح (Integer): این داده‌های پایه‌ای محدوده‌ای از اعداد صحیح ریاضی را به نمایش می‌گذارند. اعداد صحیح، با اندازه‌های مختلف، محدوده متفاوتی از مقادیر را نمایش می‌دهند؛ برای مثال، یک عدد صحیح ۸ بیتی علامت‌دار مقادیر ۱۲۸- تا ۱۲۷ را نشان می‌دهد.
• اعداد ممیز شناور (Floating Point): این اعداد نمایش فرمولی از اعداد صحیح و اعشاری را ذخیره می‌کنند؛ مثال:

• اعداد ممیز ثابت (Fixed Point): این نوع اعداد که در برخی از زبان‌های برنامه‌نویسی استفاده می‌شوند اعداد صحیح یا اعشاری را در خود نگه می‌دارند، اما به‌صورت ارقامی در سمت چپ و راست نقطه اعشار که مکانش ثابت است مدیریت می‌شوند؛ مثال:

• کاراکتر (Character): کاراکترها از نمادها تشکیل شده‌اند، به‌طوری که هر character یا نماد به یک عدد نگاشت شده است.
• اشاره‌گرها (Pointers): مقادیر مرجعی هستند که به مقادیر دیگر اشاره می‌کنند.
• رشته (String): آرایه‌ای از کاراکترهاست که به دنبال آن یک کد توقف (معمولاً یک مقدار «۰») قرار دارد یا با استفاده از یک فیلد طول که یک مقدار صحیح است مدیریت می‌شود.

انواع ساختمان داده‌ها

نوع ساختار داده‌ی مورداستفاده با توجه به نوع عملیات موردنیاز یا انواع الگوریتم‌هایی که اعمال می‌شوند تعیین می‌شود. انواع مختلف ساختمان داده عبارت‌اند از:

• آرایه (Array)
• پشته (Stack)
• صف (Queue)
• لیست پیوندی (Linked List)
• درخت (Tree)
• هرم (Heap)
• گراف (Graph)
• جدول هش (Hash Table)

ویژگی‌های ساختمان داده‌ها

ساختمان‌های داده اغلب براساس ویژگی‌های‌شان طبقه‌بندی می‌شوند؛ برای مثال، برای رسیدن به پاسخ این پرسش که بهترین ویژگی ساختمان داده چیست می‌توان این سه ویژگی را در نظر گرفت:

1. خطی یا غیرخطی: این مشخصه توصیف می‌کند آیا اقلام داده به‌درستی ترتیب داده شده‌اند یا نه؛ مانند یک آرایه یا در یک توالی نامرتب، مانند یک گراف.
2. همگن یا ناهمگن: این مشخصه توصیف می‌کند که آیا همه‌ی عناصر داده در یک مخزن معین از یک نوع هستند یا خیر. یک مثال آن مجموعه‌ای از عناصر در یک آرایه است؛ مانند یک نوع داده انتزاعی که به‌عنوان ساختار در C یا مشخصات کلاس در جاوا (Java) تعریف شده است.
3. استاتیک یا پویا: این مشخصه نحوه‌ی کامپایل‌شدن ساختمان‌های داده را توصیف می‌کند. ساختارهای داده ایستا اندازه‌ها، ساختارها و مکان‌های ثابت حافظه در زمان کامپایل دارند، درحالی‌که ساختمان‌های داده پویا اندازه‌ها، ساختارها و مکان‌هایی از حافظه دارند که بسته به کاربرد، می‌توانند کوچک یا بزرگ شوند.

کاربردهای Data Structure چیست؟

• استفاده از جست‌وجوی درختی و گرافی در الگوریتم مسیریابی برای پیاده‌سازی در برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی
•  استفاده از درختان پوشا برای تصمیم‌گیری مسیریابی در شبکه‌های کامپیوتری
•  تولید کد، مانند کد هافمن (کدکردن متون با استفاده از فراوانی کارکترها) با استفاده از درخت
• پیاده‌سازی ساختارهای سلسله‌مراتبی در سیستم‌های کامپیوتری، مانند دایرکتوری
• مدیریت مجموعه رکوردها در پایگاه داده
• پیاده‌سازی چندجمله‌ای برای عملیات ریاضی و ذخیره‌سازی ماتریس‌ها با آرایه
• به‌کارگیری لیست پیوندی هنگامی که کاربر از کلید ترکیبی alt+tab برای مشاهده‌ی برنامه‌های بازشده برای انتخاب برنامه مدنظر استفاده می‌کند
• استفاده از لیست پیوند دوگانه در اجرای دکمه‌های جلو و عقب در مرورگر برای حرکت به عقب و جلو در صفحات باشده یک وب‌سایت

برخی دیگر از کاربردهای مهم ساختارهای داده به‌این شرح است:

• ذخیره‌سازی داده‌ها: از ساختارهای داده برای ماندگاری کارآمد داده استفاده می‌کنند، مانند مشخص‌کردن مجموعه‌ای از ویژگی‌ها و ساختارهای مربوط که برای ذخیره رکوردها در یک سیستم مدیریت پایگاه داده استفاده می‌شود.
• مدیریت منابع و خدمات: منابع و خدمات سیستم عامل(OS)  ازطریق استفاده از ساختمان‌های داده، مانند لیست‌های پیوندی برای تخصیص حافظه، مدیریت فهرست فایل‌ها و درختان ساختار فایل و همچنین صف‌های زمان‌بندی فرایند فعال می‌شوند.
• اندیس گذاری یا شاخص‌گذاری (Indexing): ساختمان‌های داده پیچیده‌تری مانند B-trees برای شاخص‌گذاری اشیا، مانند آن‌ها که در پایگاه داده ذخیره شده‌اند، استفاده می‌شوند.
• مقیاس‌پذیری برنامه‌های کاربردی داده‌های بزرگ (Big Data): از ساختمان‌های داده برای تخصیص و مدیریت ذخیره‌سازی داده‌ها در مکان‌های ذخیره‌سازی توزیع‌شده استفاده می‌کنند که مقیاس‌پذیری و عملکرد را تضمین می‌کند. برخی از محیط‌های برنامه‌نویسی کلان‌داده، مانند Apache Spark، ساختمان‌های داده‌ای را ارائه می‌کنند که ساختار زیربنایی رکوردهای پایگاه داده را برای ساده‌سازی پرس‌وجو (querying) منعکس می‌کند.

برای آشنایی با بهترین منابع کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و IT این مطلب را مطالعه کنید:

بهترین منابع کنکور کارشناسی ارشد کامپیوتر و IT را بشناسید!

جمع‌بندی مطالب درباره ساختمان داده

وقتی کاربردهای متفاوت علوم داده در شاخه‌های مرتبط با مهندسی کامپیوتر و زبان‌های برنامه‌نویسی و نیز انواع ساختمان داده‌هایی که در علوم کامپیوتر معرفی شده‌اند در نظر گرفته شوند، دانشجویان رشته‌های کامپیوتر بیش‌ازپیش به ضرورت آشنایی و آموزش درس ساختمان داده پی می‌برند و برای یادگیری آن اقدام می‌کنند.

بهترین منابع برای آموزش ساختمان داده

بهترین منابع برای درس ساختمان داده چیست و چطور می‌توان در این درس به تسلط کامل رسید؟ درس ساختمان داده به‌همراه درس طراحی الگوریتم، از درس‌های مهم برای موفقیت کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و همین‌طور کنکور کارشناسی ارشد فناوری اطلاعات است؛ به‌همین دلیل، انتخاب بهترین منبع برای این درس می‌تواند به شما در رسیدن به بالاترین درصد در آزمون و کسب بهترین رتبه در کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و IT کمک کند.

برای آشنایی بیشتر با درس ساختمان داده و چگونگی آن در کنکور کارشناسی ارشد مهندسی کامپیوتر و IT و همین‌طور آشنایی با بهترین منابع آن، ازجمله ویدئوهای آموزشی رایگان و همین‌طور ویدئوهای درس‌وتست و همین‌طور نکته‌وتست کنکور ارشد مهندسی کامپیوتر و IT روی این لینک کلیک کنید:

آموزش ساختمان داده