Структуры данных: общее понятие, реализация. Простейшие структуры данных: очередь, стек. Использование стека и обратная польская запись

Массив как базовая структура

Оперативная память с точки зрения программиста — это массив элементов. Любой элемент массива можно прочитать или записать сразу, за одно элементарное действие. Массив можно рассматривать как простейшую структуру данных. Структуры данных, в которых возможен непосредственный доступ к произвольным их элементам, называют структурами данных с прямым, или с произвольным доступом (по-английски random access). Наряду с массивом, структурой данных с прямым доступом является множество, которое будет рассмотрено ниже. В других структурах данных непосредственный доступ возможен лишь к одному или нескольким элементам, для доступа к остальным элементам надо выполнить дополнительные действия. Такие структуры данных называются структурами последовательного доступа. Примером структуры последовательного доступа является магнитофон, на которым записаны песни. В любой момент можно прослушать лишь очередную песню. Чтобы добраться до других музыкальных фрагментов, надо перемотать ленту вперед или назад. Кстати, такие магнитофоны, или накопители на магнитной ленте, очень долго использовались на ЭВМ, хотя сейчас уступили свое место более надежным и компактным системам (съемным магнитным и оптическим дискам, флэш-памяти и т.п.). Устройство компьютерного магнитофона было аналогично устройству обычного бытового магнитофона.

С логической точки зрения, массивом является также важнейшая составляющая компьютера — магнитный диск. Элементарной единицей чтения и записи для магнитного диска служит блок. Размер блока зависит от конструкции конкретного диска, обычно он кратен 512. За одну элементарную операцию можно прочесть или записать один блок с заданным адресом.

Итак, наиболее важные запоминающие устройства компьютера — оперативная память и магнитный диск — представляют собой массивы. Массив как бы дан программисту свыше, так же как математику целые числа. Работа с элементами массива осуществляется исключительно быстро, все элементы массива доступны без всяких предварительных действий.

Тем не менее массивов недостаточно для написания эффективных программ. Например, поиск элемента в массиве, если его элементы не упорядочены, невозможно реализовать эффективно: нельзя изобрести ничего лучшего, кроме последовательного перебора элементов. В случае упорядоченного хранения элементов можно использовать эффективный бинарный поиск, но затруднения возникают при добавлении или удалении элементов в середине массива и приводят к массовым операциям, т.е. операциям, время выполнения которых зависит от числа элементов структуры. От этих недостатков удается избавиться, реализуя множество элементов на базе сбалансированных деревьев или хеш-функции.

Есть и другие причины, по которым необходимо использовать более сложные, чем массивы, структуры данных. Логика многих задач требует организации определенного порядка доступа к данным. Например, в случае очереди элементы можно добавлять только в конец, а забирать только из начала очереди; в стеке доступны лишь элементы в вершине стека, в списке — элементы до и за указателем.

Наконец, массив имеет ограниченный размер. Увеличение размера массива в случае необходимости приводит к переписыванию его содержимого в захваченную область памяти большего размера, т.е. опять же к массовой операции. От этого недостатка свободны ссылочные реализации структур данных: реализации на основе линейных списков или на основе деревьев.

Реализация одних структур на базе других

Реализация структуры данных на основе базовой структуры — это описание ее работы в терминах базовой структуры. При этом считается, что базовая структура либо дана изначально, либо уже кем-то реализована. Реализация должна включать в себя описание идеи реализации (каким образом элементы реализуемой структуры хранятся в базовой структуре, какие дополнительные переменные используются) и набор подпрограмм, каждая из которых моделирует некоторое предписание реализуемой структуры при помощи предписаний базовой структуры.

При рассмотрении любой структуры данных необходимо сначала описать ее с логической точки зрения, а затем рассмотреть различные способы ее реализации. В качестве базы реализации в большинстве случаев выступает либо массив, либо динамическая память (т.е. память, в которой можно захватывать участки требуемого размера и освобождать ранее захваченные участки, когда они уже больше не нужны; см. раздел 3.7.3).