Fila de prioridade na estrutura de dados: tudo o que você precisa saber

Publicados: 2021-04-07

Índice

Introdução

Filas de prioridade em estruturas de dados são uma forma importante de ADTs (Abstract Data Types). A cada elemento é atribuída uma prioridade, que serve como característica para defini-los e organizá-los.

O ADTS faz parte do domínio da ciência de dados, em que as estruturas de dados são usadas como padrões de arranjo para armazenar informações e gerenciar operações como acesso, adição, pesquisa e modificação de valores de dados. As metodologias utilizadas para esse arranjo de dados direcionam a forma como eles são organizados. As estruturas de dados também determinam a direção do fluxo de dados e os relacionamentos compartilhados dentro dos elementos do sistema.

Especialistas estimam que até o ano de 2025, o total de dados globais pode ultrapassar 175 zettabytes. Para gerenciar essas grandes quantidades de dados, as estruturas de dados são utilizadas para lidar com grandes bancos de dados e fins de indexação de forma eficiente. Vários tipos de estruturas de dados, como pilhas, filas, arrays, heaps, etc., são usados ​​durante os estágios de programação. Pilhas e filas são uma forma linear de estruturas de dados, pois os dados são armazenados sequencialmente, um após o outro. Eles não possuem ramificações e cada valor de elemento/dado deve ser organizado em uma linha reta.

Arranjo de pilhas e filas

Uma pilha segue uma abordagem LIFO (Last In First Out) para o arranjo de armazenamento, enquanto uma fila segue um arranjo FIFO (First In First Out). Este é um fator importante para diferenciar entre essas duas estruturas de dados lineares. Suas aplicações são decididas com base em sua abordagem LIFO/FIFO, pois dependem de seu uso computacional exclusivo.

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Para uma fila, o FIFO estabelece que quando vários itens são adicionados ao sistema, o primeiro item adicionado seria o primeiro a ser acessado/removido.

5 Operações básicas que podem ser executadas em uma fila

1. Enqueue: Esta operação é realizada quando queremos adicionar um elemento à fila.

2. Dequeue: Este operador é usado para remover um elemento da fila.

3. IsEmpty: Esta operação é usada para verificar se a fila está vazia e não é possível desenfileirar mais.

4. IsFull: Este operador verifica se a fila está cheia e não pode lidar com nenhuma adição de enfileiramento adicional.

5. Peek: O operador Peek simplesmente recupera/exibe o valor/elemento de dados esperado da fila sem removê-lo de sua sequência alocada.

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Fila de prioridade na estrutura de dados

As filas de prioridade têm uma prioridade adicional associada a cada um de seus elementos. Eles não seguem as abordagens FIFO como as filas tradicionais. Em vez disso, uma fila de prioridade na estrutura de dados é organizada para que os elementos de 'alta prioridade' sejam atendidos antes de suas contrapartes de 'baixa prioridade'.

O valor do elemento é frequentemente levado em consideração ao atribuir o valor de prioridade a ele. A fila de prioridade difere de uma fila tradicional de uma maneira em que o elemento de maior prioridade seria recuperado primeiro quando tentamos remover o próximo elemento da fila.

Outro pré-requisito das filas prioritárias é que os dados inseridos nessas filas devem ser ordenados sequencialmente. Isso significa que os elementos de dados individuais devem ser comparáveis ​​entre si de forma que seu arranjo possa ser sequenciado de menor para maior ou maior para menor. Isso é necessário para alocar os elementos da fila com as prioridades relativas, com base na comparação entre si.

As aplicações da fila de prioridade na estrutura de dados geralmente envolvem sua combinação com outras estruturas de dados não ordenadas, como heaps, arrays, listas vinculadas ou BSTs. Heaps fornecem a forma mais eficiente de combinação devido à provisão para implementar filas de prioridade de forma eficaz.

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Operações com suporte em uma fila prioritária

As operações em uma fila de prioridade ajudam a processar as informações inseridas, removidas, visualizadas e modificadas. Essas operações também são úteis para percorrer os elementos da fila. Eles são os seguintes:

1. Is_empty : a operação is_empty verifica se a fila contém algum elemento no momento.

2. Insert_with_priority: Esta operação adiciona um elemento à fila, juntamente com o valor de prioridade que precisa ser associado a ele.

3. Pull_highest_priority_element: Esta operação remove o elemento de prioridade mais alta da fila enquanto retorna o valor desse elemento.

4. Peek: A operação Peek é usada para 'find-max' ou 'find-min', dependendo dos resultados esperados. Esta operação não remove o elemento max/min e apenas o retorna.

O benefício de usar heaps para fila de prioridade na estrutura de dados

O desempenho de O(log n) é observado para inserções e remoções quando as filas de prioridade são baseadas em um heap. Isso melhora o desempenho e a função O(n) é construída a partir de um conjunto 'n' de elementos. O emparelhamento de heaps e heaps de Fibonacci fornece melhores limites para operações de fila prioritárias.

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Fila de prioridade e elementos de classificação

Considerando a complexidade computacional, as filas de prioridade correspondem aos algoritmos de ordenação devido à sua propriedade inerente. Por exemplo, devemos coletar todos os elementos que requerem ordenação, e então devemos inseri-los em uma fila de prioridade.

Então, se removermos os elementos sequencialmente, o resultado seria uma ordem ordenada de elementos. Heapsort, Smoothsort, Selection Sort, Insertion Sort e Tree sort são os nomes de alguns dos algoritmos de ordenação que compartilham uma correlação equivalente com a fila de prioridade nas estruturas de dados.

Aplicações de filas prioritárias

As filas de prioridade na estrutura de dados geralmente são implementadas em combinação com estruturas de dados Heap. Eles são usados ​​em simulações para sequenciamento, classificação e acompanhamento de rotas inexploradas. Os dois tipos de filas de prioridade: Ascendente e Descendente, possuem seu próprio conjunto de utilizações. Algumas dessas aplicações são:

  • Gerenciamento de largura de banda
  • Simulação de evento discreto
  • Algoritmo de Dijkstra
  • Codificação Huffman
  • Algoritmo de pesquisa do melhor primeiro
  • Algoritmo de Triangulação ROAM
  • Algoritmo de Prim para árvore geradora mínima

Conclusão

Atualmente, cerca de 5 bilhões de consumidores estão direta e indiretamente conectados aos dados. Em 2025, mais de 6 bilhões de pessoas estariam conectadas ao big data. A IDC prevê um aumento de 10 vezes para dados e projeta altas demandas para cientistas de dados. A fila de prioridade na estrutura de dados é um conceito significativo para programadores e cientistas de dados devido à sua estreita correlação e aplicação com estruturas de dados heap.

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Descrever aplicações da fila prioritária?

A fila de prioridade é aplicada em muitos algoritmos, bem como em várias aplicações da vida real. Algumas delas estão descritas abaixo:
 1. Algoritmo Huffman: A árvore Huffman gerada no Algoritmo Huffman de compressão de dados, utiliza uma fila de prioridade para implementar a árvore.
 2. Algoritmo de Prim : Este algoritmo usa uma fila de prioridade para acelerar o processo da função mínima exata.
 3. Algoritmo de Dijkstra: Este algoritmo usa um heap ou uma fila de prioridade para extrair o valor mínimo. A fila de prioridade torna o processo de obtenção do mínimo bastante eficiente.
 4. Sistema Operacional: A fila de prioridade é usada em vários processos de Sistemas Operacionais, como balanceamento de carga e tratamento de interrupção.

Diferenciar entre pilha e fila?

Tanto a pilha quanto a fila são estruturas de dados lineares. O seguinte ilustra as principais diferenças entre essas duas estruturas de dados.
 Stack - Os elementos são operados de acordo com o princípio LIFO, ou seja, o elemento inserido primeiro é o elemento removido por último. Os elementos podem ser inseridos ou removidos de uma única extremidade chamada de topo. A operação de inserção também é conhecida como operação push.
 Fila - Os elementos são operados de acordo com o princípio FIFO, ou seja, o elemento inserido primeiro é o elemento removido primeiro. A operação de inserção também é conhecida como operação de enfileiramento.

Como uma fila de prioridade pode ser implementada usando um array?

Para implementar uma fila de prioridade usando um array, é criada uma estrutura para armazenar os valores e a prioridade do elemento e, em seguida, o array dessa estrutura é criado para armazenar os elementos. As seguintes operações estão envolvidas nesta implementação:
 enqueue() - Também conhecido como processo de inserção, esta função é usada para inserir os elementos na fila.
 peek() - Esta função percorrerá o array para retornar o elemento com a prioridade mais alta. Se encontrar dois elementos com a mesma prioridade, ele retornará o elemento de maior valor entre eles.
 dequeue() - A função dequeue() é usada para deslocar todos os elementos, 1 posição à esquerda do elemento retornado pela função peek(), e diminui o tamanho da fila.