Cola de prioridad en la estructura de datos: todo lo que necesita saber
Publicado: 2021-04-07Tabla de contenido
Introducción
Las colas de prioridad en las estructuras de datos son una forma importante de ADT (Tipos de datos abstractos). A cada elemento se le asigna una prioridad, que sirve como característica para definirlos y ordenarlos.
ADTS es parte del dominio de la ciencia de datos, en el que las estructuras de datos se utilizan como patrones de disposición para almacenar información y administrar operaciones como acceso, adición, búsqueda y modificación de valores de datos. Las metodologías utilizadas para esta disposición de datos dirigen la forma en que se organizan. Las estructuras de datos también determinan la dirección del flujo de datos y las relaciones compartidas dentro de los elementos del sistema.
Los expertos han estimado que para el año 2025, los datos globales totales podrían superar los 175 zettabytes. Para administrar cantidades tan grandes de datos, las estructuras de datos se utilizan para manejar grandes bases de datos y fines de indexación de manera eficiente. Durante las etapas de programación se utilizan varios tipos de estructuras de datos, como pilas, colas, matrices, montones, etc. Las pilas y las colas son una forma lineal de estructuras de datos, ya que los datos se almacenan secuencialmente, uno tras otro. No tienen ramas, y cada valor de elemento/dato debe organizarse en línea recta.
Disposición de pilas y colas
Una pila sigue un enfoque LIFO (último en entrar, primero en salir) para la disposición del almacenamiento, mientras que una cola sigue un enfoque FIFO (primero en entrar, primero en salir). Este es un factor importante para diferenciar entre estas dos estructuras de datos lineales. Sus aplicaciones se deciden en función de su enfoque LIFO/FIFO, ya que dependen de su uso computacional único.
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Para una cola, FIFO establece que cuando se agregan varios elementos al sistema, el primer elemento agregado será el primero al que se accederá/eliminará.
5 operaciones básicas que se pueden realizar en una cola
1. Poner en cola: Esta operación se realiza cuando queremos añadir un elemento a la cola.
2. Dequeue: este operador se utiliza para eliminar un elemento de la cola.
3. IsEmpty: esta operación se utiliza para comprobar si la cola está vacía y si no es posible eliminar más de la cola.
4. IsFull: este operador verifica si la cola está llena y no puede manejar más adiciones a la cola.
5. Peek: el operador Peek simplemente recupera/muestra el valor/elemento de datos esperado de la cola sin eliminarlo de su secuencia asignada.
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Cola de prioridad en la estructura de datos
Las colas de prioridad tienen una prioridad adicional asociada a cada uno de sus elementos. No siguen los enfoques FIFO como las colas tradicionales. En cambio, se organiza una cola de prioridad en la estructura de datos para que los elementos de "alta prioridad" se sirvan antes que sus contrapartes de "baja prioridad".
El valor del elemento a menudo se tiene en cuenta al asignarle el valor de prioridad. La cola de prioridad se diferencia de una cola tradicional en que el elemento de mayor prioridad se recuperaría primero cuando intentamos eliminar el siguiente elemento de la cola.
Otro requisito previo de las colas de prioridad es que los datos ingresados en estas colas deben ordenarse secuencialmente. Esto significa que los elementos de datos individuales deben ser comparables entre sí de manera que su disposición pueda secuenciarse de menor a mayor o de mayor a menor. Esto es necesario para asignar los elementos de la cola con las prioridades relativas, en función de la comparación entre sí.
Las aplicaciones de la cola de prioridad en la estructura de datos generalmente implican su combinación con otras estructuras de datos desordenadas, como montones, matrices, listas vinculadas o BST. Los montones proporcionan la forma de combinación más eficiente debido a la provisión para implementar colas de prioridad de manera efectiva.
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Operaciones admitidas en una cola de prioridad
Las operaciones en una cola de prioridad ayudan a procesar la información ingresada, eliminada, visualizada y modificada. Estas operaciones también son útiles para atravesar entre los elementos de la cola. Son los siguientes:
1. Is_empty : la operación is_empty comprueba si la cola contiene algún elemento en este momento.
2. Insert_with_priority: esta operación agrega un elemento a la cola, junto con el valor de prioridad que debe asociarse con él.
3. Pull_highest_priority_element: esta operación elimina el elemento de mayor prioridad de la cola y devuelve el valor de ese elemento.
4. Peek: la operación Peek se usa para 'buscar-máximo' o 'buscar-mínimo', según los resultados esperados. Esta operación no elimina el elemento máximo/mínimo y solo lo devuelve.
El beneficio de usar montones para la cola de prioridad en la estructura de datos
Se observa el rendimiento O(log n) para inserciones y eliminaciones cuando las colas de prioridad se basan en un montón. Esto mejora el rendimiento y la función O(n) se crea a partir de un conjunto de elementos 'n'. Emparejar montones y montones de Fibonacci proporciona mejores límites para las operaciones de cola de prioridad.
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Cola de prioridad y elementos de clasificación
Teniendo en cuenta la complejidad computacional, las colas de prioridad corresponden a los algoritmos de clasificación debido a su propiedad inherente. Por ejemplo, debemos recopilar todos los elementos que requieren clasificación y luego debemos insertarlos en una cola de prioridad.
Entonces, si eliminamos los elementos secuencialmente, el resultado sería un orden ordenado de elementos. Heapsort, Smoothsort, Selection Sort, Insertion Sort y Tree sort son los nombres de algunos de los algoritmos de clasificación que comparten una correlación equivalente a la cola de prioridad en las estructuras de datos.
Aplicaciones de Colas Prioritarias
Las colas de prioridad en la estructura de datos generalmente se implementan en combinación con estructuras de datos Heap. Se utilizan en simulaciones para secuenciar, clasificar y realizar un seguimiento de rutas inexploradas. Los dos tipos de colas de prioridad: Ascendente y Descendente, tienen su propio conjunto de usos. Algunas de estas aplicaciones son:
- Gestión de ancho de banda
- Simulación de eventos discretos
- Algoritmo de Dijkstra
- Codificación de Huffman
- Algoritmo de búsqueda mejor primero
- Algoritmo de triangulación ROAM
- Algoritmo de Prim para el árbol de expansión mínimo
Conclusión
A día de hoy, alrededor de 5.000 millones de consumidores están conectados directa e indirectamente a los datos. Para 2025, más de 6 mil millones de personas estarán conectadas a big data. IDC predice un aumento de 10 veces para los datos y proyecta una gran demanda para los científicos de datos. La cola de prioridad en la estructura de datos es un concepto importante para programadores y científicos de datos debido a su estrecha correlación y aplicación con estructuras de datos en montón.
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La cola de prioridad se aplica en muchos algoritmos, así como en varias aplicaciones de la vida real. Algunos de ellos se describen a continuación: La pila y la cola son estructuras de datos lineales. A continuación se ilustran las diferencias clave entre ambas estructuras de datos. Para implementar una cola de prioridad usando una matriz, se crea una estructura para almacenar los valores y la prioridad del elemento y luego se crea la matriz de esa estructura para almacenar los elementos. Las siguientes operaciones están involucradas en esta implementación:¿Describa las aplicaciones de Priority Queue?
1. Algoritmo de Huffman: El árbol de Huffman generado en el Algoritmo de Huffman de compresión de datos, utiliza una cola de prioridad para implementar el árbol.
2. Algoritmo de Prim : este algoritmo utiliza una cola de prioridad para acelerar el proceso de la función mínima exacta.
3. Algoritmo de Dijkstra: este algoritmo utiliza un montón o una cola de prioridad para extraer el valor mínimo. La cola de prioridad hace que el proceso de obtener el mínimo sea bastante eficiente.
4. Sistema operativo: la cola de prioridad se usa en varios procesos de sistemas operativos, como el equilibrio de carga y el manejo de interrupciones. ¿Diferenciar entre pila y cola?
Stack: los elementos funcionan según el principio LIFO, es decir, el elemento que se inserta primero es el elemento que se retira al final. Los elementos se pueden insertar o quitar de un solo extremo llamado superior. La operación de inserción también se conoce como operación de empuje.
Cola: los elementos funcionan según el principio FIFO, es decir, el elemento insertado primero es el elemento eliminado primero. La operación de inserción también se conoce como operación de puesta en cola. ¿Cómo se puede implementar una cola de prioridad usando una matriz?
enqueue(): también conocida como el proceso de inserción, esta función se utiliza para insertar los elementos en la cola.
peek(): esta función recorrerá la matriz para devolver el elemento con la prioridad más alta. Si encuentra dos elementos que tienen la misma prioridad, devuelve el elemento de mayor valor entre ellos.
dequeue(): la función dequeue() se usa para desplazar todos los elementos, 1 posición a la izquierda del elemento devuelto por la función peek(), y reduce el tamaño de la cola.