โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมคืออะไร

โครงสร้างข้อมูลจัดระเบียบข้อมูลในระบบเสมือน ตัวอย่างสามารถเป็นลำดับของตัวเลข ข้อมูล หรือตาราง โครงสร้างข้อมูลแสดงถึงวิธีการทางโปรแกรมในการจัดเก็บข้อมูลเพื่อให้แน่ใจว่าการใช้งานมีประสิทธิภาพ แอปพลิเคชันระดับองค์กรส่วนใหญ่ใช้โครงสร้างข้อมูลประเภทต่างๆ

อัลกอริทึมคือชุดของขั้นตอนที่คอมพิวเตอร์ดำเนินการโดยรับอินพุตและแปลงเป็นเอาต์พุตเป้าหมาย กล่าวอีกนัยหนึ่ง เป็นกระบวนการทีละขั้นตอนที่กำหนดชุดคำสั่งที่จะดำเนินการตามลำดับเฉพาะเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ โดยทั่วไป อัลกอริทึมจะถูกสร้างขึ้นโดยไม่ขึ้นกับภาษาพื้นฐาน หมายความว่าอัลกอริทึมสามารถดำเนินการได้ในภาษาการเขียนโปรแกรมหลายภาษา

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริธึม รวมกันและช่วยโปรแกรมเมอร์สร้างโปรแกรมคอมพิวเตอร์ต่างๆ การศึกษาอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมรับประกันว่าโค้ดจะมีประสิทธิภาพและเหมาะสมที่สุด

ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ โปรแกรม ซอฟต์แวร์ และแอปพลิเคชันทั้งหมดมีองค์ประกอบพื้นฐานสองประการ ได้แก่ (i) ข้อมูล และ (ii) อัลกอริทึม ข้อมูลคือข้อมูล และอัลกอริทึมคือชุดคำสั่งที่แปลงข้อมูลดิบให้เป็นส่วนประกอบที่มีค่าสำหรับการเขียนโปรแกรมต่อไป คุณสามารถจำสมการต่อไปนี้เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสน:

ชุดของข้อมูลที่เกี่ยวข้อง + ชุดของการดำเนินการที่อนุญาตกับข้อมูล = โครงสร้างข้อมูล

โครงสร้างข้อมูล + อัลกอริทึม = โปรแกรม

ส่วนต่อไปนี้ช่วยให้คุณเข้าใจถึงเหตุผลในการเรียนรู้ โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม วิธีการทำงานร่วมกัน แอปพลิเคชัน โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมมาตรฐาน

เรามาเริ่มกันที่ความสำคัญของโครงสร้างข้อมูลและประเภทของโครงสร้างข้อมูล:

ทำไมต้องโครงสร้างข้อมูล?

การทำความเข้าใจโครงสร้างข้อมูลช่วยให้คุณเข้าใจและเลือกโครงสร้างข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับโครงการและความต้องการของคุณ ด้วยเหตุนี้ คุณจึงสามารถเขียนโค้ดเวลาและหน่วยความจำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ประเภทของโครงสร้างข้อมูล

โครงสร้างข้อมูลแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:

1) โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น

2) โครงสร้างข้อมูลแบบไม่เชิงเส้น

1) โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น:

ในโครงสร้างข้อมูลประเภทนี้ องค์ประกอบจะถูกจัดตามลำดับ เนื่องจากองค์ประกอบถูกจัดเรียงตามลำดับที่เฉพาะเจาะจง การนำไปใช้จึงเป็นเรื่องง่าย อย่างไรก็ตาม ด้วยความซับซ้อนของโปรแกรมที่เพิ่มขึ้น โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นอาจไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด

โครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นที่แพร่หลายคือ:

1. โครงสร้างข้อมูลอาร์เรย์
2. โครงสร้างข้อมูลสแต็ก
3. โครงสร้างข้อมูลคิว
4. โครงสร้างข้อมูลรายการเชื่อมโยง

1. โครงสร้างข้อมูลอาร์เรย์:

ในอาร์เรย์ องค์ประกอบทั้งหมดจะถูกจัดระเบียบในหน่วยความจำต่อเนื่อง โดยทั้งหมดเป็นประเภทเดียวกัน ภาษาโปรแกรมกำหนดประเภทขององค์ประกอบที่จัดเก็บในรูปแบบของอาร์เรย์ ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการจัดเก็บข้อมูลตามลำดับในหน่วยความจำ คุณสามารถใช้โครงสร้างข้อมูลแบบ Array

2. โครงสร้างข้อมูลสแต็ก:

องค์ประกอบถูกเก็บไว้ในวิธี LIFO หมายความว่าองค์ประกอบสุดท้ายที่จัดเก็บไว้ในสแต็กจะถูกลบออกก่อน การทำงานเหมือนกับกองจานซึ่งจานใบสุดท้ายที่วางอยู่บนกองจะถูกทิ้งก่อน

3. โครงสร้างข้อมูลคิว:

โครงสร้างข้อมูลนี้ใช้วิธี FIFO กล่าวคือ องค์ประกอบแรกที่จัดเก็บไว้ในคิวจะถูกนำออกไปก่อน การทำงานจะเหมือนกับการต่อคิวของนักเรียนที่เคาน์เตอร์รับสมัคร โดยนักเรียนคนแรกในคิวจะได้เข้าเรียนก่อน

4. โครงสร้างข้อมูลรายการเชื่อมโยง:

องค์ประกอบข้อมูลเชื่อมโยงผ่านชุดโหนด ทุกโหนดประกอบด้วยรายการข้อมูลและที่อยู่ของโหนดต่อไปนี้

รับ ใบรับรองวิทยาศาสตร์ข้อมูล จากมหาวิทยาลัยชั้นนำของโลก เรียนรู้โปรแกรม PG สำหรับผู้บริหาร โปรแกรมประกาศนียบัตรขั้นสูง หรือโปรแกรมปริญญาโทเพื่อติดตามความก้าวหน้าในอาชีพของคุณอย่างรวดเร็ว

2) โครงสร้างข้อมูลแบบไม่เชิงเส้น

ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้น องค์ประกอบที่มีอยู่ในโครงสร้างข้อมูลที่ไม่ใช่เชิงเส้นจะไม่ถูกจัดอยู่ในลำดับ มีการจัดระเบียบตามลำดับชั้นโดยองค์ประกอบหนึ่งจะเชื่อมโยงกับองค์ประกอบหนึ่งหรือหลายองค์ประกอบ

รายการต่อไปนี้แสดงการจัดประเภทของโครงสร้างข้อมูลที่ไม่ใช่เชิงเส้น:

1. โครงสร้างข้อมูลกราฟ
2. โครงสร้างข้อมูลต้นไม้

1. โครงสร้างข้อมูลกราฟ

ใน โครงสร้างข้อมูลกราฟ ทุกโหนดเรียกว่าจุดยอด และทุกจุดยอดจะเชื่อมโยงกับจุดยอดอื่นๆ ผ่านทางขอบ

โครงสร้างข้อมูลกราฟที่มีชื่อเสียง:

• ส่วนประกอบที่เชื่อมต่ออย่างแน่นหนา
• สแปนนิ่งทรีและทรีสแปนนิ่งขั้นต่ำ
• รายการที่อยู่ติดกัน
• เมทริกซ์ที่อยู่ติดกัน

2. โครงสร้างข้อมูลต้นไม้

เหมือนกับกราฟ ต้นไม้คือการจัดเรียงของขอบและจุดยอด แต่ในโครงสร้างข้อมูลนี้ สามารถมีเส้นเชื่อมระหว่างจุดยอดทั้งสองจุดได้เพียงจุดเดียว

โครงสร้างข้อมูลตามต้นไม้ที่มีชื่อเสียง:

• ต้นไม้ค้นหาแบบไบนารี
• ไบนารี่ทรี
• บี-ทรี
• บี+ทรี
• ต้นไม้ AVL
• ต้นแดง-ดำ

ตรวจสอบโปรแกรม US - Data Science ของเรา

เหตุผลในการเรียนรู้โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม:

ไม่ว่าจะเป็นการตลาด การเดินทาง หรือการผลิต การแปลงเป็นดิจิทัลรองรับการเขียนโปรแกรม การเขียนโปรแกรมมีให้เห็นในแอปพลิเคชันทุกแขนง และแอปพลิเคชันเหล่านี้ล้วนต้องการผู้เชี่ยวชาญด้านไอทีที่เชี่ยวชาญ โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริธึม เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของโค้ดหรือโปรแกรมคอมพิวเตอร์ใดๆ

ด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของแอปพลิเคชัน ปัญหาทั่วไปสามประการที่ต้องเผชิญคือ:

• ความเร็วของโปรเซสเซอร์:

แม้ว่าความเร็วของโปรเซสเซอร์อาจสูงมาก แต่จะถูกจำกัดหากปริมาณข้อมูลเพิ่มขึ้นเป็นพันล้านเรคคอร์ด

• ค้นหาข้อมูล:

เมื่อข้อมูลเพิ่มขึ้น การค้นหาก็จะช้าลง ตัวอย่างเช่น สมมติว่าร้านค้ามีสินค้า 1 ล้านรายการ หากแอปพลิเคชันต้องการค้นหารายการ จะต้องค้นหา 1 ล้านครั้งทุกครั้ง ซึ่งจะทำให้กระบวนการค้นหาข้อมูลช้าลง

• คำขอหลายรายการ:

ผู้ใช้จำนวนมากค้นหาข้อมูลพร้อมกันบนเว็บเซิร์ฟเวอร์ ดังนั้นบางครั้งแม้แต่เซิร์ฟเวอร์ด่วนก็ไม่มีประสิทธิภาพในระหว่างกระบวนการค้นหาข้อมูล

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม มีประโยชน์ในการแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้น พวกเขาจัดระเบียบข้อมูลเพื่อให้ไม่ต้องค้นหารายการทั้งหมด และสามารถค้นหาข้อมูลเป้าหมายได้ทันที

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมทำงานร่วมกันอย่างไร

อัลกอริทึมต่าง ๆ ได้รับการออกแบบเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน พวกเขาโต้ตอบกับโครงสร้างข้อมูลต่างๆ แต่ด้วยระดับความซับซ้อนในการคำนวณที่เหมือนกัน อัลกอริทึมถือเป็นชิ้นส่วนหลักแบบไดนามิกที่โต้ตอบกับโครงสร้างข้อมูลแบบคงที่

ข้อมูลจะแสดงอย่างยืดหยุ่นในรหัส เมื่อคุณทราบวิธีการพัฒนาอัลกอริทึมและวิธีการทำงานของตระกูลภาษาที่เกี่ยวข้องกันในเชิงความหมายแล้ว คุณก็สามารถสรุปเป็นภาษาโปรแกรมต่างๆ ได้ เมื่อคุณเรียนรู้พื้นฐานของภาษาการเขียนโปรแกรมและหลักการรวมเข้าด้วยกัน คุณสามารถสลับไปมาระหว่างภาษาต่างๆ ได้อย่างง่ายดายและเรียนรู้ได้เร็วขึ้น

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมที่ใช้กันทั่วไป:

รายการต่อไปนี้แสดงโครงสร้างข้อมูลที่คุณจะพบในภาษาการเขียนโปรแกรมต่างๆ:

• คิว
• กอง
• รายการที่เชื่อมโยง
• แผนที่
• ชุด
• ค้นหาต้นไม้
• ตารางแฮช

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม แต่ละรายการเหล่านี้ มีความซับซ้อนในการคำนวณเฉพาะสำหรับฟังก์ชันที่เกี่ยวข้อง เช่น การเพิ่มรายการและการคำนวณหน่วยวัดรวม (เช่น การค้นหาค่าเฉลี่ยสำหรับโครงสร้างข้อมูลพื้นฐาน)

หมวดหมู่ทั่วไปของอัลกอริทึมคือ:

• จัดเรียง – (จัดเรียงรายการตามลำดับเฉพาะ)
• ค้นหา (ค้นหารายการในโครงสร้างข้อมูล)
• แทรก – (แทรกรายการในโครงสร้างข้อมูล)
• อัปเดต (อัปเดตรายการที่มีอยู่ในโครงสร้างข้อมูล)
• ลบ (ลบรายการที่มีอยู่ออกจากโครงสร้างข้อมูล)

อัลกอริทึมหมวดอื่นๆ ได้แก่:

• การเขียนโปรแกรมแบบไดนามิก
• กราฟ/การเคลื่อนที่ของต้นไม้
• การแฮชและ regex (การจับคู่รูปแบบสตริง)

การประยุกต์ใช้โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม ช่วยแก้ปัญหาคอมพิวเตอร์ประเภทต่อไปนี้:

• ปัญหาเป้
• เส้นทางที่สั้นที่สุดโดย Dijkstra
• ชุดเลขฟีโบนัชชี
• เส้นทางที่สั้นที่สุดทุกคู่โดย Floyd-Warshall
• หอคอยแห่งฮานอย
• กำหนดการโครงการ

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมใช้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ในกระบวนการ IT และเป็น โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมในไพ ธอน บางส่วนจะกล่าวถึงที่นี่:

• การจัดเก็บข้อมูล:

โครงสร้างข้อมูลสนับสนุนการคงอยู่ของข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงการจดจำคอลเลคชันตัวบ่งชี้และการแสดงรายการตามโครงสร้างที่สอดคล้องกัน ดังนั้นโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมจึงค่อนข้างมีประโยชน์ในระบบการจัดการฐานข้อมูลสำหรับการจัดเก็บบันทึก

• การแลกเปลี่ยนข้อมูล:

ข้อมูลที่จัดระเบียบได้รับการกระจายอย่างง่ายดายระหว่างแอปพลิเคชันต่างๆ รวมถึงแพ็กเก็ต TCP/IP

• ความสามารถในการปรับขนาด:

แอปพลิเคชันบิ๊กดาต้าขึ้นอยู่กับโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริธึมสำหรับการจัดเก็บข้อมูลในสถานที่จัดเก็บแบบกระจาย ดังนั้น ประสิทธิภาพและความสามารถในการปรับขยายจึงเพิ่มขึ้น

• การจัดการทรัพยากร:

โครงสร้างข้อมูล เช่น รายการที่เชื่อมโยงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของฟังก์ชัน เช่น การจัดการไดเร็กทอรีไฟล์ คิวการจัดตารางการประมวลผล และการจัดสรรหน่วยความจำ ฟังก์ชันทั้งหมดนี้สร้างแกนหลักของการจัดการทรัพยากรและบริการในองค์กรขนาดใหญ่

บทสรุป

โครงสร้างข้อมูลและอัลกอริธึม ช่วยให้คุณสร้างโปรแกรมคอมพิวเตอร์ต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พวกเขาปฏิบัติตามชุดคำสั่งที่แม่นยำตามลำดับเฉพาะเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ความสนใจของคุณในโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึมสามารถเริ่มต้นอาชีพด้านวิทยาศาสตร์ข้อมูลของคุณได้ และเพื่อเริ่มต้น ไม่มีอะไรดีไปกว่า โปรแกรม วิทยาศาสตรมหาบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์ข้อมูล ของ UpGrad โปรแกรมเต็มเวลา 2 ปีนี้ครอบคลุมหลักสูตรที่ทันสมัยซึ่งได้มาจากหนึ่งใน 100 อันดับมหาวิทยาลัยระดับโลกที่ดีที่สุดในโลก มหาวิทยาลัยแอริโซนา

ลงทะเบียนเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติม!