โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่ใช่เชิงเส้น: ความแตกต่างระหว่างโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่ใช่เชิงเส้น
เผยแพร่แล้ว: 2021-06-16สารบัญ
โครงสร้างข้อมูลคืออะไร?
ในฐานะมือใหม่หรือผู้เชี่ยวชาญ คำว่าโครงสร้างข้อมูลจะเป็นสิ่งที่ทุกคนที่อยู่ในการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์จะได้ยินอยู่ตลอดเวลา การทำความเข้าใจโครงสร้างข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญเสมอสำหรับการเป็นโปรแกรมเมอร์ที่ดี มีหลายหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างข้อมูลโดยเน้นที่โครงสร้างที่สำคัญจริงๆ ดังนั้น สำหรับการเป็นโปรแกรมเมอร์ที่ประสบความสำเร็จ ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างข้อมูลจึงเป็นสิ่งที่แนะนำเป็นอย่างยิ่ง
โครงสร้างข้อมูลหมายถึงกระบวนการที่สามารถจัดเก็บและจัดระเบียบข้อมูลในลักษณะที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงและใช้งานข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีอัลกอริธึมต่างๆ ในการทำงานกับโครงสร้างข้อมูล ดังนั้น โครงสร้างข้อมูลจึงรวมกลุ่มของค่าข้อมูล ความสัมพันธ์กับองค์ประกอบอื่นๆ และการดำเนินการที่สามารถส่งต่อค่าข้อมูลได้
มันอาจจะทำให้ง่ายขึ้นเป็น:
โปรแกรม= อัลกอริทึม + โครงสร้างข้อมูล
โครงสร้างข้อมูล=ข้อมูลที่เกี่ยวข้อง + การดำเนินการที่อนุญาตบนข้อมูลนั้น
การจัดเก็บข้อมูลสามารถทำได้สองวิธี โครงสร้างข้อมูลสามารถแบ่งออกเป็น:
- โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น
- โครงสร้างข้อมูลไม่เป็นเชิงเส้น
โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น
เหล่านี้เป็นประเภทของโครงสร้างที่การจัดเก็บข้อมูลเกิดขึ้นตามลำดับหรือในลักษณะเชิงเส้น ที่นี่ ทุกองค์ประกอบที่เก็บไว้ในโครงสร้างจะเชื่อมโยงกับองค์ประกอบที่อยู่ใกล้เคียง องค์ประกอบสามารถเข้าถึงได้ในการรันครั้งเดียวเนื่องจากถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรง นอกจากนี้ การนำไปใช้งานยังเป็นกระบวนการที่ง่ายเมื่อถูกจัดเก็บแบบเชิงเส้นในหน่วยความจำ ประเภทต่าง ๆ ได้แก่ :
1. อาร์เรย์
อาร์เรย์เป็นโครงสร้างข้อมูลประเภทหนึ่งที่เก็บองค์ประกอบประเภทเดียวกัน เหล่านี้เป็นโครงสร้างข้อมูลพื้นฐานและพื้นฐานที่สุด ข้อมูลที่จัดเก็บในแต่ละตำแหน่งของอาร์เรย์จะได้รับค่าบวกที่เรียกว่าดัชนีขององค์ประกอบ ดัชนีช่วยในการระบุตำแหน่งขององค์ประกอบในอาร์เรย์
ถ้าสมมุติว่าเราต้องเก็บข้อมูลบางอย่าง เช่น ราคารถสิบคัน เราก็สามารถสร้างโครงสร้างของอาร์เรย์และเก็บจำนวนเต็มทั้งหมดไว้ด้วยกัน ไม่จำเป็นต้องสร้างตัวแปรจำนวนเต็มสิบตัวแยกกัน ดังนั้นบรรทัดในรหัสจะลดลงและหน่วยความจำจะถูกบันทึก ค่าดัชนีเริ่มต้นด้วย 0 สำหรับองค์ประกอบแรกในกรณีของอาร์เรย์
2. กอง
โครงสร้างข้อมูลเป็นไปตามกฎของ LIFO (เข้าก่อนออกก่อน) โดยที่องค์ประกอบข้อมูลที่เพิ่มล่าสุดจะถูกลบออกก่อน การดำเนินการพุชใช้สำหรับเพิ่มองค์ประกอบของข้อมูลในสแต็ก และการดำเนินการป๊อปใช้สำหรับลบข้อมูลออกจากสแต็ก นี้สามารถอธิบายได้ด้วยตัวอย่างหนังสือที่ซ้อนกัน ในการเข้าถึงหนังสือเล่มล่าสุด หนังสือทั้งหมดที่วางทับหนังสือเล่มสุดท้ายจะต้องถูกลบออกอย่างปลอดภัย
3. คิว
โครงสร้างนี้เกือบจะคล้ายกับสแต็กเนื่องจากข้อมูลถูกจัดเก็บตามลำดับ ความแตกต่างคือโครงสร้างข้อมูลคิวเป็นไปตาม FIFO ซึ่งเป็นกฎของการเข้าก่อนออกก่อน โดยองค์ประกอบที่เพิ่มเข้ามาครั้งแรกคือการออกจากคิวก่อน ด้านหน้า และ ด้านหลัง เป็นคำสองคำที่จะใช้ในคิว
Enqueue คือการดำเนินการแทรก และ dequeue คือการดำเนินการลบ แบบแรกจะดำเนินการที่ส่วนท้ายของคิว และแบบหลังจะดำเนินการที่จุดเริ่มต้น โครงสร้างข้อมูลอาจอธิบายด้วยตัวอย่างคนเข้าคิวรอรถประจำทาง คนแรกในสายจะได้รับโอกาสในการออกจากคิวในขณะที่คนสุดท้ายจะเป็นคนสุดท้ายที่ออกจากคิว
4. รายการที่เชื่อมโยง
รายการที่เชื่อมโยงคือประเภทที่ข้อมูลถูกจัดเก็บในรูปแบบของโหนดที่ประกอบด้วยองค์ประกอบของข้อมูลและตัวชี้ การใช้ตัวชี้คือการชี้หรือนำทางไปยังโหนดที่อยู่ถัดจากองค์ประกอบในลำดับ ข้อมูลที่จัดเก็บไว้ในรายการที่เชื่อมโยงอาจเป็นรูปแบบ สตริง ตัวเลข หรืออักขระใดๆ ข้อมูลทั้งที่เรียงลำดับแล้วและไม่ได้เรียงลำดับสามารถเก็บไว้ในรายการที่เชื่อมโยงพร้อมกับองค์ประกอบที่ไม่ซ้ำหรือซ้ำกัน
5. ตารางแฮช
ประเภทนี้สามารถใช้เป็นโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นหรือไม่เป็นเชิงเส้น โครงสร้างข้อมูลประกอบด้วยคู่คีย์-ค่า
โครงสร้างข้อมูลแบบไม่เชิงเส้น
โครงสร้างข้อมูลเหล่านี้ไม่เป็นไปตามความเป็นเส้นตรง ตามชื่อที่แนะนำ ข้อมูลจะถูกจัดเรียงในลักษณะที่ไม่ต่อเนื่องกัน องค์ประกอบไม่มีเส้นทางที่กำหนดไว้เพื่อเชื่อมต่อกับองค์ประกอบอื่น ๆ แต่มีหลายเส้นทาง การเคลื่อนที่ผ่านองค์ประกอบไม่สามารถทำได้ในการเรียกใช้ครั้งเดียว เนื่องจากข้อมูลไม่ได้จัดเรียงเป็นเส้นตรง
เมื่อเทียบกับโครงสร้างเชิงเส้นตรงที่องค์ประกอบเชื่อมต่อกับองค์ประกอบที่อยู่ใกล้เคียงทั้งคู่ ในกรณีนี้ องค์ประกอบสามารถเชื่อมต่อกับองค์ประกอบอื่น ๆ ที่ไม่จำเป็นต้องมีเพียงสององค์ประกอบ การใช้ข้อมูลที่ไม่ใช่เชิงเส้นไม่ใช่เรื่องง่าย แต่หน่วยความจำคอมพิวเตอร์ถูกใช้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้โครงสร้างประเภทนี้
ประเภทของโครงสร้างที่ไม่เป็นเชิงเส้น ได้แก่ ต้นไม้และกราฟ
1. ต้นไม้
โครงสร้างข้อมูลแบบต้นไม้ประกอบด้วยโหนดต่างๆ ที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกัน โครงสร้างของต้นไม้เป็นแบบลำดับชั้นที่สร้างความสัมพันธ์แบบพ่อแม่และลูก โครงสร้างของทรีถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่มีการเชื่อมต่อเดียวสำหรับทุกๆ ความสัมพันธ์ของโหนดหลักและรอง ควรมีเส้นทางเดียวเท่านั้นระหว่างรูทกับโหนดในทรี มีต้นไม้หลายประเภทตามโครงสร้างของต้นไม้ เช่น AVL tree, binary tree, binary search tree เป็นต้น
2. กราฟ
กราฟคือโครงสร้างข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้นประเภทดังกล่าว ซึ่งประกอบด้วยจำนวนจุดยอดและขอบที่แน่นอน จุดยอดหรือโหนดมีส่วนร่วมในการจัดเก็บข้อมูลและขอบแสดงความสัมพันธ์ของจุดยอด ความแตกต่างระหว่างกราฟกับต้นไม้คือในกราฟไม่มีกฎเกณฑ์เฉพาะสำหรับการเชื่อมต่อโหนด ปัญหาในชีวิตจริง เช่น เครือข่ายสังคม เครือข่ายโทรศัพท์ ฯลฯ สามารถแสดงผ่านกราฟได้
ใช้เมทริกซ์ที่อยู่ติดกันเพื่อแสดงกราฟ
ความแตกต่างระหว่างโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้น
เราได้พูดถึงโครงสร้างข้อมูลประเภทเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้นแล้ว แต่ประเด็นสำคัญที่กำหนด โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้นคืออะไร
ความ แตกต่างระหว่างโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่เป็นเชิงเส้น มี ตารางด้านล่าง:
| โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น | โครงสร้างข้อมูลไม่เป็นเชิงเส้น | |
| 1 | องค์ประกอบข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในลำดับเชิงเส้นในกรณีของโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น แต่ละองค์ประกอบเชื่อมต่อกับองค์ประกอบแรกและองค์ประกอบถัดไปในลำดับ | องค์ประกอบข้อมูลในกรณีของโครงสร้างข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะจัดเรียงแบบไม่เชิงเส้นและแนบเป็นลำดับชั้น องค์ประกอบข้อมูลแนบมากับองค์ประกอบหลายรายการ |
| 2 | โครงสร้างข้อมูลประกอบด้วยระดับเดียว ไม่มีลำดับชั้นในโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น | ในโครงสร้างนี้ มีหลายระดับที่เกี่ยวข้องในโครงสร้าง ดังนั้นองค์ประกอบจึงถูกจัดเรียงตามลำดับชั้น |
| 3 | การใช้โครงสร้างเชิงเส้นของข้อมูลทำได้ง่ายเนื่องจากองค์ประกอบต่างๆ ถูกจัดเก็บในลักษณะเชิงเส้น | การนำโครงสร้างไปใช้นั้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนเมื่อเทียบกับโครงสร้างเชิงเส้น |
| 4 | การข้ามผ่านขององค์ประกอบในโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นสามารถทำได้ในการดำเนินการครั้งเดียว เนื่องจากข้อมูลอยู่ในระดับเดียว | การข้ามผ่านขององค์ประกอบไม่สามารถดำเนินการได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้น จำเป็นต้องมีการรันหลายครั้งสำหรับการสำรวจข้อมูลในโครงสร้างข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้น |
| 5 | ไม่มีการใช้หน่วยความจำอย่างมีประสิทธิภาพในโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น | การใช้หน่วยความจำอย่างมีประสิทธิภาพในโครงสร้างข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้น |
| 6 | ตัวอย่างของโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น ได้แก่ อาร์เรย์ สแตก คิว และรายการที่เชื่อมโยง | ตัวอย่างของข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้น ได้แก่ ต้นไม้และกราฟ |
| 7 | โครงสร้างเชิงเส้นของข้อมูลถูกนำไปใช้เป็นหลักในการพัฒนาซอฟต์แวร์ | โครงสร้างข้อมูลที่ไม่เป็นเชิงเส้นส่วนใหญ่ใช้ในปัญญาประดิษฐ์และการประมวลผลภาพ |
| 8 | ด้วยการเพิ่มขนาดของอินพุต ความซับซ้อนของเวลาจะเพิ่มขึ้น | แม้ว่าจะมีการเพิ่มขนาดของอินพุต ความซับซ้อนของเวลายังคงเท่าเดิม |
| 9 | อาจมีความสัมพันธ์ประเภทเดียวเท่านั้นระหว่างองค์ประกอบข้อมูล | ความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่งหรือหนึ่งต่อกลุ่มสามารถมีได้ระหว่างองค์ประกอบในโครงสร้างข้อมูลชนิดไม่เป็นเชิงเส้น |
ความสำคัญของโครงสร้างข้อมูล
โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่เป็นของแข็งถูกสร้างขึ้นจากแนวคิดของโครงสร้างของข้อมูล ไม่มีโปรแกรมใดที่สามารถสร้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องใช้โครงสร้างข้อมูลที่ถูกต้อง เนื่องจากมีความน่าเชื่อถืออย่างมากของโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่มีต่อข้อมูลปริมาณมาก จึงจำเป็นต้องมีการจัดเก็บข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อให้เข้าถึงข้อมูลได้ง่าย การประยุกต์ใช้โครงสร้างข้อมูลช่วยให้สามารถจัดเก็บข้อมูลได้อย่างมีตรรกะเพื่อให้แก้ไขและเข้าถึงได้ง่าย
บทสรุป
โครงสร้างข้อมูลมีความซับซ้อนขึ้นด้วยการเพิ่มขนาดของข้อมูล บทความนี้ให้ความเข้าใจสั้น ๆ เกี่ยวกับประเภทของโครงสร้างข้อมูลที่เน้นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและไม่ใช่เชิงเส้น อย่างไรก็ตาม โครงสร้างข้อมูลที่แตกต่างกันมีการใช้งานที่แตกต่างกัน
การใช้โครงสร้างข้อมูล เช่น การเพิ่ม การลบ การเข้าถึงองค์ประกอบ การแก้ไของค์ประกอบ จะต้องได้รับการศึกษาในเชิงลึกเพื่อให้ผู้เชี่ยวชาญเข้าใจโครงสร้างข้อมูล อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนสำคัญประการแรกในการเป็นโปรแกรมเมอร์ที่ดีคือการมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับแนวคิดนี้ โครงสร้างข้อมูลการเรียนรู้ช่วยให้เข้าใจภาษาโปรแกรมต่างๆ ได้ง่าย ไม่ว่าจะเป็น python, C++ หรือ Java แนวคิดยังคงเหมือนเดิม
เนื่องจากเป็นยุคของปัญญาประดิษฐ์ ความรู้เกี่ยวกับภาษาของแมชชีนเลิร์นนิงจึงค่อนข้างสำคัญสำหรับผู้ที่ตั้งใจทำงานด้าน AI การจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบที่มีประสิทธิภาพพบแอปพลิเคชันในโมเดลการเรียนรู้ของเครื่อง เนื่องจากโครงสร้างข้อมูลเป็นรากฐานของโปรแกรมการเรียนรู้ของเครื่อง ดังนั้นความเข้าใจจึงควรเป็นจุดสนใจหลัก
หากคุณเป็นมืออาชีพระดับกลางและใฝ่ฝันที่จะเป็นนักวิเคราะห์ข้อมูล คุณสามารถตรวจสอบหลักสูตร วิทยาศาสตรมหาบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์ข้อมูลสำหรับผู้นำ ซึ่งจัดทำโดย upGrad หลักสูตรนี้จะฝึกอบรมคุณผ่านผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมจนกว่าคุณจะเป็นผู้เชี่ยวชาญในสาขานี้
ครอบคลุมหัวข้อต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับแมชชีนเลิร์นนิงและ AI รวมถึงกรณีศึกษาและโครงการมากกว่า 75 รายการ โดยไม่คำนึงถึงเพศและอายุของคุณ คุณสามารถพบว่าตัวเองเป็นนักวิทยาศาสตร์ข้อมูลที่มีคุณภาพได้ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า หากคุณต้องการดูรายละเอียดเพิ่มเติม หรือมีข้อสงสัยใดๆ ส่งข้อความหาเรา ทีมงานของเราจะช่วยคุณ
มีแอปพลิเคชั่นในชีวิตจริงยอดนิยมจำนวนหนึ่งซึ่งอาศัยโครงสร้างข้อมูลที่ไม่ใช่เชิงเส้นเป็นหลัก ฮีปเป็นโครงสร้างข้อมูลแบบ non-linear tree โดยที่ tree เป็นไบนารีทรีที่สมบูรณ์ กล่าวกันว่าต้นไม้เป็นต้นไม้ไบนารีที่สมบูรณ์หากระดับของต้นไม้เต็มไปหมด โครงสร้างข้อมูลฮีปมี 2 ประเภทคือ min-heap และ max-heap คิวคือโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นที่มีการดำเนินการในลำดับ FIFO (เข้าก่อนออกก่อน) โครงสร้างข้อมูลคิวมี 3 ประเภท:พูดถึงแอปพลิเคชั่นในชีวิตจริงบางตัวที่ใช้โครงสร้างข้อมูลที่ไม่ใช่เชิงเส้นหรือไม่
กราฟถูกใช้อย่างกว้างขวางในอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์และการประมวลผลภาพ Facebook ใช้กราฟในการเชื่อมต่อและแนะนำการแนะนำเพื่อนใหม่
Google ใช้กราฟในการจัดอันดับหน้าเว็บและค้นหาเส้นทางที่เหมาะสมที่สุดในแอปพลิเคชัน Google Maps
ทรีถูกใช้ในแอปพลิเคชันโครงสร้างไฟล์ การค้นหาฐานข้อมูล อัลกอริธึมการค้นหารูปแบบ และการสร้างดัชนีในฐานข้อมูล
ต้นไม้ยังใช้ในเทคนิคการบีบอัดข้อมูลเช่น Huffman Coding ซึ่งการนำต้นไม้ไปใช้ในการเข้ารหัสข้อมูล
โครงสร้างข้อมูลแบบต้นไม้ยังใช้เพื่อแก้นิพจน์ทางคณิตศาสตร์อีกด้วย นิพจน์ได้รับการประเมินโดยการแทรกตัวดำเนินการที่โหนดภายในและตัวถูกดำเนินการที่โหนดปลายสุด โครงสร้างข้อมูลฮีปคืออะไรและมีกี่ประเภท
Min-heap : เมื่อองค์ประกอบในโหนดรูทมีขนาดเล็กที่สุดในบรรดาโหนดทั้งหมด ฮีปจะเรียกว่าฮีปขั้นต่ำ
Max-heap : เมื่อองค์ประกอบในโหนดรูทมีขนาดใหญ่ที่สุดในบรรดาโหนดทั้งหมด กล่าวกันว่าฮีปเป็นฮีปสูงสุด โครงสร้างข้อมูลคิวคืออะไร? ให้ตัวอย่างในชีวิตจริง?
Circular Queue : คิวที่ไม่มีด้านหลัง (เช่นด้านหน้าคือด้านหลัง) เรียกว่าคิววงกลม
Dequeue: คิวที่อนุญาตให้แทรกและลบจากปลายทั้งสองเป็น deque
คิวลำดับความสำคัญ : คิวที่ดำเนินการองค์ประกอบที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่าก่อนเป็นคิวลำดับความสำคัญ หากองค์ประกอบสองรายการมีลำดับความสำคัญเท่ากัน องค์ประกอบที่สูงกว่าในคิวจะถูกเสิร์ฟก่อน
ตัวอย่างในชีวิตจริงของโครงสร้างข้อมูลคิว ได้แก่:
1. ต่อคิวที่ตู้เอทีเอ็ม
2. การจัดตารางงาน CPU
3. การประมวลผลคำขอเว็บไซต์
4. ระบบจัดการกระแสอินพุต