Cấu trúc dữ liệu là gì? Tổng hợp các loại cấu trúc dữ liệu

Nếu bạn có một lượng lớn dữ liệu mà không có phương pháp để quản lý và sắp xếp, chúng sẽ gây rất nhiều khó khăn trong quá trình tìm kiếm và truy xuất dữ liệu. Vậy nên, cấu trúc dữ liệu rất cần thiết để quản lý dữ liệu. 

• Tìm hiểu về tác động của GPT trong chiến lược kinh doanh
• Lợi ích của cơ sở dữ liệu định hướng tài liệu AI trong kỷ nguyên Big Data
• Lợi ích của việc sử dụng AI GraphQL trong truy vấn dữ liệu
• Ý nghĩa đạo đức của việc ra quyết định bằng máy
• Giới thiệu và tìm thiểu đặc trưng về tăng cường dữ liệu AI

Cấu trúc dữ liệu là một cách để tổ chức và lưu trữ dữ liệu để chúng có thể được sử dụng hiệu quả nhất. Để quản lý tốt bộ nhớ thì các dữ liệu cần được sắp xếp một cách khoa học, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao nhất. Sắp xếp dữ liệu tốt sẽ đảm bảo quá trình làm việc được trơn tru và không gặp bất kỳ rắc rối nào khi cần tìm kiếm tài liệu. Ngoài ra, sắp xếp dữ liệu khoa học còn thể hiện sự chuyên nghiệp và tinh tế của bạn.

1. Cấu trúc dữ liệu là gì?

Cấu trúc dữ liệu là một hình thức tổ chức, lưu trữ dữ liệu theo hệ thống và thứ tự để có thể sử dụng tài liệu một cách tối ưu. Có rất nhiều cách để lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ, nhưng khi làm việc chúng ta sẽ thấy mảng ngôn ngữ trong C được sử dụng nhiều nhất. 

Mảng là một tập hợp các phần tử bộ nhớ, trong đó dữ liệu được tổ chức theo thứ tự (tức là các phần tử được lưu trữ một cách liên tục). Việc lưu trữ dữ liệu sẽ được hỗ trợ bởi một mảng dữ liệu được cấu trúc.

Cấu trúc dữ liệu là tập hợp các thuật toán mà chúng ta có thể để nó trong bộ nhớ và sử dụng với bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào. Tất nhiên, chúng không phải là một ngôn ngữ phần mềm như Java, C, C++,…

Để cấu trúc  được dữ liệu trong bộ nhớ, các thuật toán đã được đề xuất có tên gọi là kiểu dữ liệu trừu tượng (kiểu dữ liệu trừu tượng là tập hợp các quy tắc).

>>> Xem thêm: Hướng dẫn ứng dụng cấu trúc Stack và Queue

2. Các hoạt động phổ biến trên cấu trúc dữ liệu

Các hoạt động phổ biến hay các hoạt động chính mà chúng ta có thể thực hiện trên cấu trúc dữ liệu đó là:

• Tìm kiếm: Chúng ta có thể tìm kiếm tất cả các phần tử 
• Sắp xếp: Thực hiện sắp xếp các phần tử theo thứ tự tăng/giảm dần
• Chèn: Bạn có thể chèn thêm  các phần tử mới 
• Cập nhật: Chúng ta có thể thay thế hoặc cập nhật một phần tử nào đó trong cấu trúc dữ liệu bằng một phần tử khác
• Xóa: Các lập trình viên có thể thực hiện lệnh xóa để loại bỏ phần tử 

3. Tổng hợp các loại cấu trúc dữ liệu cơ bản 

Bất kỳ công cụ nào có thể lưu trữ, tổ chức dữ liệu thì chúng ta đều gọi là cấu trúc dữ liệu.

Một số cấu trúc cơ bản như: Float, Integer, Boolean, Char,… Ngoài ra, chúng còn được biết với cái tên là cấu trúc dữ liệu nguyên thủy.

Bên cạnh đó, chúng ta có các loại cấu trúc phức tạp (hay còn gọi là trừu tượng) và được sử dụng để lưu trữ, tổ chức dữ liệu lớn hơn. Cụ thể:

• Lists: theo dạng danh sách
• Graphs: theo dạng đồ thị, sơ đồ
• Trees: theo dạng cây
• Stacks: theo dạng ngăn xếp, gói

Tất cả các cấu trúc dữ liệu này cho phép bạn thực hiện các hoạt động khác nhau trên dữ liệu. Chúng ta sẽ dựa trên loại yêu cầu hoạt động để từ đó đưa ra quyết định xem sẽ sử dụng cấu trúc dữ liệu nào.

>>> Xem thêm: Cấu trúc dữ liệu là gì?

3.1 Phân biệt cấu trúc dữ liệu theo đặc tính

Bạn có thể theo dõi các đặc tính có thể dùng để phân tích cấu trúc dữ liệu như sau:

• Tuyến tính (Linear): Các mục dữ liệu trong cấu trúc dữ liệu tuyến tính sẽ được sắp xếp theo một trình tự tuyến tính (ví dụ: Mảng – Array)
• Không tuyến tính (Non – Linear): Các mục dữ liệu trong cấu trúc dữ liệu không tuyến tính sẽ được sắp xếp không theo trình tự (ví dụ: Cây – Tree, đồ thị  – Graph)
• Đồng nhất (Homogeneous): Tất cả các phần tử trong cấu trúc dữ liệu đồng nhất sẽ được sắp xếp đồng nhất (ví dụ: Mảng – Array)
• Không đồng nhất (Non – Homogeneous): Các dữ liệu trong cấu trúc dữ liệu không đồng nhất có thể được sắp xếp theo cùng kiểu hoặc không cùng kiểu (ví dụ: Cấu trúc – Structures)
• Động  (Dynamic): Cấu trúc dữ liệu động là những thứ có thể mở rộng hoặc thu lại tùy thuộc vào chương trình, đồng thời các vị trí bộ nhớ liên quan của chúng sẽ có thể thay đổi (ví dụ: Danh sách liên kết được tạo ra bằng con trỏ)
• Tĩnh (Static): Cấu trúc dữ liệu tĩnh là những cấu trúc và kích thước của các vị trí bộ nhớ được cố định lúc biên dịch (ví dụ: Mảng – Array)

3.2 Các loại cấu trúc dữ liệu

• Mảng – Array: Mảng là một tập hợp các mục tại vị trí bộ nhớ nhớ liền kề. Khi đó để có thể truy xuất vị trí của từng dữ liệu một cách dễ dàng thì các mục cùng loại sẽ được lưu trữ với nhau. Mảng lưu trữ có thể có chiều dài linh hoạt hoặc cố định
• Ngăn xếp – Stacks: Ngăn xếp là một tập hợp các mục theo thứ tự tuyến tính mà các phép toán được thực hiện. Thứ tự tuyến tính này có thể là nhập trước xuất (FIFO) hoặc xuất trước nhập (LIFO)
• Non – Homogeneous: Danh sách liên kết là một bộ sưu tập các mục dữ liệu theo thứ tự tuyến tính. Mỗi nút hoặc phần tử trong danh sách được liên kết chứa một mục dữ liệu trong danh sách
• Cây – Trees: Cây lưu trữ là một bộ sưu tập các mục dữ liệu theo phân cấp, trừu tượng và có thứ bậc. Một phần tử được liên kết với các phần tử khác và có thể thêm giá trị phụ
• Đồ thị – Graphs: Đồ thị lưu trữ là một bộ sưu tập các mục dữ liệu theo kiểu phi tuyến tính. Nó được tạo thành từ tập hợp hữu hạn các phần tử hoặc nút (các đỉnh) và các đường nối chúng (các cạnh)
• Cây tìm kiếm  – Tries: Cây tìm kiếm là một cấu trúc lưu trữ các chuỗi dưới dạng các mục dữ liệu có thể được tổ chức trong một đồ thị trực tiếp
• Bảng băm – Hash tables: Bản đồ băm hay bảng băm lưu trữ một bộ sưu tập các mục trong một mảng để vẽ các khóa cho giá trị. Nó sử dụng hàm băm để chuyển một chỉ mục thành một mảng các nhóm chứa dữ liệu mong muốn

4. Cách thức cấu trúc dữ liệu được sử dụng

Cấu trúc dữ liệu được sử dụng với nhiều cách thức đa dạng khác nhau:

4.1 Lưu trữ dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu được sử dụng để duy trì dữ liệu hiệu quả, chẳng hạn như chỉ định tập hợp các thuộc tính và cấu trúc tương ứng được sử dụng để lưu trữ các bản ghi trong hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu.

4.2 Quản lý tài nguyên và dịch vụ

Các tài nguyên và dịch vụ của hệ điều hành (OS) lõi được kích hoạt thông qua việc sử dụng các cấu trúc dữ liệu như danh sách được liên kết để cấp phát bộ nhớ, quản lý thư mục tệp và cây cấu trúc tệp.

4.3 Trao đổi dữ liệu

Cấu trúc dữ liệu xác định tổ chức thông tin được chia sẻ giữa các ứng dụng, chẳng hạn như các gói TCP/IP.

4.4 Đặt hàng và phân loại

Chẳng hạn như cây tìm kiếm nhị phân còn được gọi là cây nhị phân được sắp xếp hoặc sắp xếp cung cấp các phương pháp sắp xếp đối tượng hiệu quả, chẳng hạn như chuỗi ký tự được sử dụng làm thẻ. Qua đó, lập trình viên có thể quản lý các mục được sắp xếp theo mức độ ưu tiên cụ thể.

4.5 Lập chỉ mục

Cấu trúc dữ liệu giúp lập chỉ mục. Thậm chí các cấu trúc dữ liệu như cây B được sử dụng để lập chỉ mục cho các đối tượng, chẳng hạn như các đối tượng được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu.

4.6 Tìm kiếm

Các chỉ mục được tạo bằng cách sử dụng cây tìm kiếm nhị phân, cây B hoặc bảng băm tăng tốc có khả năng tìm thấy một mục được tìm kiếm cụ thể.

4.7 Khả năng mở rộng

Các ứng dụng dữ liệu lớn sử dụng cấu trúc dữ liệu để phân bổ và quản lý lưu trữ dữ liệu trên các vị trí lưu trữ phân tán, đảm bảo khả năng mở rộng và hiệu suất.

5. Tầm quan trọng của cấu trúc dữ liệu

Nếu bạn có một lượng lớn dữ liệu mà không có phương pháp để quản lý và sắp xếp, chúng sẽ gây rất nhiều khó khăn trong quá trình tìm kiếm và truy xuất dữ liệu. Vậy nên, cấu trúc dữ liệu rất cần thiết để quản lý dữ liệu. 

Khi làm việc chúng ta sẽ cần lựa chọn kiểu cấu trúc dữ liệu để phù hợp với các tác vụ. Nếu bạn chọn cấu trúc dữ liệu không phù hợp có thể khiến code không phản hồi hoặc thời gian chạy chậm hơn.

Cho nên, lập trình viên cần xem xét cẩn thận trước khi chọn cấu trúc dữ liệu. Một số yếu tố có thể dùng để đánh giá cấu trúc dữ liệu như: Loại thông tin nào sẽ được lưu trữ, dữ liệu nên được sắp xếp thế nào, dữ liệu nên được đặt ở đâu và dành bao nhiêu bộ nhớ cho dữ liệu.

Hy vọng phần chia sẻ của FUNiX có thể giúp bạn hiểu thêm về cấu trúc dữ liệu và có thể chọn được loại cấu trúc dữ liệu phù hợp.

>>> Nếu bạn đang có nhu cầu tìm hiểu về khóa học lập trình đi làm ngay. Hãy liên hệ với FUNiX ngay tại đây:

>>> Xem thêm chuỗi bài viết liên quan:

FUNiX – Học lấy bằng đại học trực tuyến giá trị ngang bằng đại học chính quy

5 bước chinh phục ngành Khoa học dữ liệu (Data Science)

Dữ liệu (data) là gì? Những công việc nào phổ biến trong ngành dữ liệu?

9x Đắk Lắk kể về hành trình trở thành Data Scientist tại tập đoàn FPT

Quách Công Sơn