Estruturas de Dados em Python – Guia Completo

O que é Estrutura de Dados?

A estrutura de dados refere-se ao armazenamento computacional de dados para uso eficiente. Ele armazena os dados de uma maneira que pode ser facilmente modificada e acessada. Ele se refere coletivamente aos valores dos dados, relação entre eles e as operações que podem ser realizadas nos dados. A importância da estrutura de dados está em sua aplicação para o desenvolvimento de programas de computador. Como os programas de computador dependem muito de dados, o arranjo adequado dos dados para facilitar o acesso é de suma importância para qualquer programa ou software.

As quatro principais funções de uma estrutura de dados são:

• Para inserir informações
• Para processar as informações
• Para manter as informações
• Para recuperar as informações

Tipos de estruturas de dados em Python

Várias estruturas de dados são suportadas pelo Python para fácil acesso e armazenamento de dados. Os tipos de estruturas de dados Python podem ser classificados como tipos de dados primitivos e não primitivos. Os primeiros tipos de dados incluem Integers, Float, Strings e Boolean, enquanto o último é a matriz, lista, tuplas, dicionários, conjuntos e arquivos. Portanto, as estruturas de dados em python são estruturas de dados internas e estruturas de dados definidas pelo usuário. A estrutura de dados interna é chamada de estrutura de dados não primitiva.

Estruturas de dados incorporadas

Python possui várias estruturas de dados que atuam como contêineres para armazenamento de outros dados. Essas estruturas de dados python são List, Dictionaries, Tuple e Sets.

Estruturas de dados definidas pelo usuário

Essas estruturas de dados podem ser programadas com a mesma função que as estruturas de dados internas em python . As estruturas de dados definidas pelo usuário são: Linked List, Stack, Queue, Tree, Graph e Hashmap.

Lista de estruturas de dados incorporadas e explicação

1. Lista

Os dados armazenados em uma lista são organizados sequencialmente e de diferentes tipos de dados. Para cada dado, um endereço é atribuído e é conhecido como índice. O valor do índice começa com 0 e continua até o último elemento. Isso é chamado de índice positivo. Um índice negativo também existe se os elementos forem acessados ​​inversamente. Isso é chamado de indexação negativa.

Criação de lista

A lista é criada como colchetes. Os elementos podem então ser adicionados de acordo. Ele pode ser adicionado entre colchetes para criar uma lista. Se nenhum elemento for adicionado, uma lista vazia será criada. Caso contrário, os elementos da lista serão criados.

Adicionando elementos em uma lista

Três funções são usadas para a adição de elementos dentro de uma lista. Essas funções são append(), extend() e insert().

• Todos os elementos são adicionados como um único elemento usando a função append().
• Para adicionar elementos um a um na lista, a função extend() é usada.
• Para adicionar elementos por seu valor de índice, a função insert() é usada.

Exclusão de elementos em uma lista

Uma palavra-chave interna “del” em python é usada para excluir um elemento da lista. No entanto, esta função não retorna o elemento excluído.

• Para retornar um elemento excluído, a função pop() é usada. Ele usa o valor de índice do elemento a ser excluído.
• A função remove() é usada para deletar um elemento pelo seu valor.

Saída:

[1, 2, 3, 'exemplo', 3.132, 30]

[1, 2, 3, 3.132, 30]

Elemento estourado: 2 Lista restante: [1, 3, 3.132, 30]

[]

Avaliação de elementos em uma lista

• Avaliar o elemento em uma lista é simples. A impressão da lista exibirá diretamente os elementos.
• Elementos específicos podem ser avaliados passando o valor do índice.

Saída:

1

2

3

exemplo

3.132

10

30

[1, 2, 3, 'exemplo', 3.132, 10, 30]

Exemplo

[1, 2]

[30, 10, 3.132, 'exemplo', 3, 2, 1]

Além das operações mencionadas acima, várias outras funções embutidas estão disponíveis em python para trabalhar com listas.

• len(): a função é usada para retornar o comprimento da lista.
• index(): esta função permite ao usuário saber o valor do índice de um valor passado.
• A função count() é usada para encontrar a contagem do valor passado para ela.
• sort() classifica o valor em uma lista e modifica a lista.
• sorted() classifica o valor em uma lista e retorna a lista.

Saída

6

3

2

[1, 2, 3, 10, 10, 30]

[30, 10, 10, 3, 2, 1]

2. Dicionário

Dicionário é um tipo de estrutura de dados em que os pares de valores-chave são armazenados em vez de elementos únicos. Isso pode ser explicado com o exemplo de uma lista telefônica que tem todos os números de indivíduos junto com seus números de telefone. O nome e o número de telefone aqui definem os valores constantes que são a “chave” e os números e nomes de todos os indivíduos como os valores dessa chave. A avaliação de uma chave dará acesso a todos os valores armazenados nessa chave. Essa estrutura de valor-chave definida no Python é conhecida como dicionário.

Criação de um dicionário

• As chaves de flores ociosas da função dict() podem ser usadas para criar um dicionário.
• Os pares chave-valor devem ser adicionados durante a criação de um dicionário.

Modificação em pares de valores-chave

Qualquer modificação no dicionário pode ser feita apenas através da chave. Portanto, as chaves devem ser acessadas primeiro e depois as modificações devem ser realizadas.

Exclusão de um dicionário
Uma função clear() é usada para excluir todo o dicionário. O dicionário pode ser avaliado através das chaves usando a função get() ou passando os valores das chaves.

Outras funções associadas a um dicionário são keys(), values() e items().

3. Tupla

Semelhante à lista, Tuplas são listas de armazenamento de dados, mas a única diferença é que os dados armazenados em uma tupla não podem ser modificados. Se os dados dentro de uma tupla forem mutáveis, somente então será possível alterar os dados.

• Tuplas podem ser criadas através da função tuple().

Entrada

new_tuple = (10, 20, 30, 40)

print(new_tuple)

Saída

(10, 20, 30, 40)

• Os elementos em uma tupla podem ser avaliados da mesma maneira que os elementos em uma lista.

Entrada

new_tuple2 = (10, 20, 30, 'idade')

para x em new_tuple2:

imprimir(x)

print(new_tuple2)

print(new_tuple2[0])

Saída

10

20

30

Idade

(10, 20, 30, 'idade')

10

• O operador '+' é usado para anexar outra tupla

Entrada

tupla = (1, 2, 3)

tupla = tupla + (4, 5, 6

imprimir(tupla)

Saída

(1, 2, 3, 4, 5, 6)

4. Definir

A estrutura de dados do conjunto é semelhante aos conjuntos aritméticos. É basicamente a coleção de elementos únicos. Se os dados continuarem se repetindo, os conjuntos consideram adicionar esse elemento apenas uma vez.

• Um conjunto pode ser criado apenas passando os valores para ele entre chaves de flores.

Entrada

conjunto = {10, 20, 30, 40, 40, 40}

imprimir(conjunto)

Saída

{10, 20, 30, 40}

• A função add() pode ser usada para adicionar elementos a um conjunto.
• Para combinar dados de dois conjuntos, a função union() pode ser usada.
• Para identificar os dados que estão presentes em ambos os conjuntos, é utilizada a função de interseção().
• A função Difference() gera apenas os dados exclusivos do conjunto, removendo os dados comuns.
• A função symmetric_difference() gera os dados exclusivos para ambos os conjuntos.

Lista de estruturas de dados definidas pelo usuário e explicação

1. Pilhas

Uma pilha é uma estrutura linear que é uma estrutura Last in First out (LIFO) ou First in Last Out (FIFO). Existem duas operações principais na pilha, ou seja, push e pop. Push significa anexar um elemento no topo da lista, enquanto pop significa remover um elemento da parte inferior da pilha. O processo está bem descrito na Figura 1.

Utilidade da pilha

• Elementos anteriores podem ser avaliados por meio de rastreamento para trás.
• Correspondência de elementos recursivos.

Fonte

Figura 1: Representação gráfica do Stack

Exemplo

Saída

['primeiro segundo terceiro']

['primeiro segundo terceiro quarto quinto']

quinto

['primeiro segundo terceiro quarto']

2. Fila

Semelhante às pilhas, uma fila é uma estrutura linear que permite a inserção de um elemento em uma extremidade e a exclusão na outra extremidade. As duas operações são conhecidas como enfileirar e desenfileirar. O elemento adicionado recentemente é removido primeiro como as pilhas. Uma representação gráfica da fila é mostrada na Figura 2. Um dos principais usos de uma fila é para o processamento de coisas assim que elas entram.

Fonte

Figura 2 : Representação gráfica de filas

Exemplo

Saída

['primeiro segundo terceiro']

['primeiro segundo terceiro quarto quinto']

primeiro

quinto

['segundo', 'terceiro', 'quarto', 'quinto']

3. Árvore

As árvores são estruturas de dados não lineares e hierárquicas que consistem em nós ligados através de arestas. A estrutura de dados da árvore python tem um nó raiz, um nó pai e um nó filho. A raiz é o elemento mais alto de uma estrutura de dados. Uma árvore binária é uma estrutura na qual os elementos não têm mais do que dois nós filhos.

A utilidade de uma árvore

• Exibe os relacionamentos estruturais dos elementos de dados.
• Atravessar cada nó com eficiência
• Os usuários podem inserir, pesquisar, recuperar e excluir os dados.
• Estruturas de dados flexíveis

Figura 3: Representação gráfica de uma árvore

Fonte

Exemplo:

Saída

Primeiro

Segundo

Terceiro

4. Gráfico

Outra estrutura de dados não linear em python é o gráfico que consiste em nós e arestas. Graficamente ele exibe um conjunto de objetos, com alguns objetos conectados por meio de links. Os vértices são objetos interconectados enquanto os links são chamados de arestas. A representação de um grafo pode ser feita através da estrutura de dados do dicionário python, onde a chave representa os vértices e os valores representam as arestas.

Operações básicas que podem ser executadas em gráficos

• Exibir vértices e arestas do gráfico.
• Adição de um vértice.
• Adição de uma aresta.
• Criação de um gráfico

A utilidade de um gráfico

• A representação de um gráfico é fácil de entender e seguir.
• É uma ótima estrutura para representar relacionamentos vinculados, ou seja, amigos do Facebook.

Figura 4: Representação gráfica de um gráfico

Fonte

Exemplo

g = gráfico(4)

g.borda(0, 2)

g.borda(1, 3)

g.borda(3, 2)

g.borda(0, 3)

g.__repr__()

Saída

Lista de adjacências do vértice 0

cabeça -> 3 -> 2

Lista de adjacências do vértice 1

cabeça -> 3

Lista de adjacências do vértice 2

cabeça -> 3 -> 0

Lista de adjacências do vértice 3

cabeça -> 0 -> 2 -> 1

5. Mapa de hash

Hashmaps são estruturas de dados python indexadas úteis para o armazenamento de pares chave-valor. Os dados armazenados em hashmaps são recuperados através das chaves que são computadas com a ajuda de uma função hash. Esses tipos de estruturas de dados são úteis para o armazenamento de dados de alunos, detalhes de clientes, etc. Dicionários em python são um exemplo de hashmaps.

Exemplo

Saída

0 -> primeiro

1 -> segundo

2 -> terceiro

0 -> primeiro

1 -> segundo

2 -> terceiro

3 -> quarto

0 -> primeiro

1 -> segundo

2 -> terceiro

Utilidade

• É o método mais flexível e confiável de recuperar informações do que outras estruturas de dados.

6. Lista vinculada

É um tipo de estrutura de dados linear. Basicamente, é uma série de elementos de dados unidos por meio de links em python. Os elementos em uma lista vinculada são conectados por meio de ponteiros. O primeiro nó dessa estrutura de dados é chamado de cabeçalho e o último nó é chamado de cauda. Portanto, uma lista encadeada consiste em nós com valores e cada nó consiste em um ponteiro vinculado a outro nó.

A utilidade das listas vinculadas

• Comparado a um array que é fixo, uma lista encadeada é uma forma dinâmica de entrada de dados. A memória é salva à medida que aloca a memória dos nós. Enquanto estiver em uma matriz, o tamanho deve ser predefinido, levando ao desperdício de memória.
• Uma lista vinculada pode ser armazenada em qualquer lugar da memória. Um nó de lista vinculada pode ser atualizado e movido para um local diferente.

Figura 6: Representação gráfica de uma lista vinculada

Fonte

Exemplo

Saída:

['primeiro segundo terceiro']

['primeiro', 'segundo', 'terceiro', 'sexto', 'quarto', 'quinto']

['primeiro', 'terceiro', 'sexto', 'quarto', 'quinto']

Conclusão

Os vários tipos de estruturas de dados em python foram explorados. Seja um novato ou um especialista, as estruturas de dados e os algoritmos não podem ser ignorados. Ao executar qualquer forma de operação nos dados, os conceitos de estruturas de dados desempenham um papel vital. As estruturas de dados auxiliam no armazenamento das informações de forma organizada, enquanto os algoritmos auxiliam na orientação ao longo da análise dos dados. Portanto, tanto as estruturas de dados quanto os algoritmos do Python auxiliam o cientista da computação ou qualquer usuário a processar seus dados.

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