Динамические структуры данных

Объявление динамических структур данных

Каждая компонента любой динамической структуры представляет собой запись, содержащую, по крайней мере, два поля: одно поле типа указатель, а второе – для размещения данных. В общем случае запись может содержать не один, а несколько указателей и несколько полей данных. Поле данных может быть переменной, массивом или структурой. Для наилучшего представления изобразим отдельную компоненту в виде:

где поле Р – указатель; поле D – данные.

Элемент динамической структуры состоит из двух полей:

• информационного поля (поля данных), в котором содержатся те данные, ради которых и создается структура; в общем случае информационное поле само является интегрированной структурой – вектором, массивом, другой динамической структурой и т.п.;
• адресного поля (поля связок), в котором содержатся один или несколько указателей, связывающий данный элемент с другими элементами структуры;

Объявление элемента динамической структуры данных выглядит следующим образом:

struct имя_типа {
                 информационное поле;
                 адресное поле;
                };

Например:

struct TNode {
              int Data;//информационное поле
              TNode *Next;//адресное поле
            };

Информационных и адресных полей может быть как одно, так и несколько.

Рассмотрим в качестве примера динамическую структуру, схематично указанную на рис. 28.1:

Рис. 28.1. Схематичное представление динамической структуры

Данная структура состоит из 4 элементов. Ее первый элемент имеет поле Data, равное 73, и связан с помощью своего поля Next со вторым элементом, поле Data которого равно 28, и так далее до последнего, четвертого элемента, поле Data которого равно 85, а поле Next равно NULL, то есть нулевому адресу, что является признаком завершения структуры. Здесь P является указателем, который указывает на первый элемент структуры.

Доступ к данным в динамических структурах

Элемент динамической структуры в каждый момент может либо существовать, либо отсутствовать в памяти, поэтому его называют динамическим. Поскольку элементами динамической структуры являются динамические переменные, то единственным средством доступа к динамическим структурам и их элементам является указатель (адрес) на место их текущего расположения в памяти. Таким образом, доступ к динамическим данным выполняется специальным образом с помощью указателей.

Указатель содержит адрес определенного объекта в динамической памяти. Адрес формируется из двух слов: адрес сегмента и смещение. Сам указатель является статическим объектом и расположен в сегменте данных ( рис. 28.2).

Рис. 28.2. Связь указателя с адресуемым объектом

Для обращения к динамической структуре достаточно хранить в памяти адрес первого элемента структуры. Поскольку каждый элемент динамической структуры хранит адрес следующего за ним элемента, можно, двигаясь от начального элемента по адресам, получить доступ к любому элементу данной структуры.

Доступ к данным в динамических структурах осуществляется с помощью операции "стрелка" ( -> ), которую называют операцией косвенного выбора элемента структурного объекта, адресуемого указателем. Она обеспечивает доступ к элементу структуры через адресующий ее указатель того же структурного типа. Формат применения данной операции следующий:

УказательНаСтруктуру-> ИмяЭлемента

Операции "стрелка" ( -> ) двуместная. Применяется для доступа к элементу, задаваемому правым операндом, той структуры, которую адресует левый операнд. В качестве левого операнда должен быть указатель на структуру, а в качестве правого – имя элемента этой структуры.

Например:

p->Data;
p->Next;

Имея возможность явного манипулирования с указателями, которые могут располагаться как вне структуры, так и "внутри" отдельных ее элементов, можно создавать в памяти различные структуры.

Однако необходимо помнить, что работа с динамическими данными замедляет выполнение программы, поскольку доступ к величине происходит в два шага: сначала ищется указатель, затем по нему – величина.

Работа с памятью при использовании динамических структур

В программах, в которых необходимо использовать динамические структуры данных, работа с памятью происходит стандартным образом. Выделение динамической памяти производится с помощью операции new или с помощью библиотечной функции malloc (calloc). Освобождение динамической памяти осуществляется операцией delete или функцией free.

Например, объявим динамическую структуру данных с именем Node с полями Name, Value и Next, выделим память под указатель на структуру, присвоим значения элементам структуры и освободим память.

struct Node {char *Name;
             int Value;
             Node *Next
            };
Node *PNode; //объявляется указатель

PNode = new Node; //выделяется память

PNode->Name = "STO"; //присваиваются значения
PNode->Value = 28;
PNode->Next = NULL;

delete PNode; // освобождение памяти

Ключевые термины

Адрес сегмента – это одно из машинных слов, составляющих адрес динамического элемента, которое представляет собой адрес первого элемента структуры.

Адресное поле (поле связок) – это поле структуры, в котором содержится указатель, связывающий данный элемент с другими элементами структуры.

Динамические структуры данных – это структуры данных, память под которые выделяется и освобождается не на этапе компиляции, а в процессе работы программы.

Динамический элемент – это элемент динамической структуры, который в конкретный момент выполнения программы может либо существовать, либо отсутствовать в памяти.

Динамическое распределение памяти – это выделение памяти под отдельные элементы в тот момент, когда они "начинают существовать" в процессе выполнения программы.

Информационное поле (поле данных) – это поле структуры, в котором содержатся непосредственно обрабатываемые данные.

Связное представление данных – это установление связи между элементами динамической структуры через указатели.

Смещение – это одно из машинных слов, составляющих адрес динамического элемента, которое представляет собой изменение адреса относительно первого элемента структуры.

Краткие итоги

1. В программах возникает необходимость обрабатывать данные, размер которых заранее неизвестен.
2. Для данных с достаточно большим или переменным размером используются динамические структуры.
3. Динамические структуры не имеют имени, под них выделяется память в процессе выполнения программы, количество их элементов может не фиксироваться, в процессе выполнения программы может меняться характер взаимосвязи между элементами структуры.
4. Каждой динамической структуре ставится в соответствие статическая переменная – ее адрес.
5. Представление динамических структур в памяти определяется как связное.
6. Связное представление данных в программах имеет как достоинства, так и недостатки.
7. Существует классификация динамических структур данных в зависимости от связей между элементами и допустимых операций.
8. Элемент динамической структуры состоит как минимум из двух полей: адресного и информационного.
9. Адресное поле формируется из двух слов: адрес сегмента и смещение.
10. Доступ к данным в динамических структурах осуществляется с помощью операции косвенного выбора.