2.2 Динамические структуры данных
2.2.1 Основные понятия
Определим структуру данных как совокупность элементов данных, между которыми установлены определенные отношения (связи).
В теории и практике программирования наработано большое количество разнообразных структур данных, которые различаются, в основном, способом представления отношений (связей) между данными.
Несмотря на широкое разнообразие структур данных, имеется всего два альтернативных принципа их внутренней организации:
непрерывная организация — размещение всех элементов структуры по порядку в одной непрерывной области памяти, в результате чего соседние элементы занимают соседние ячейки памяти, и нет необходимости в указании связей между ними явно;
связная (цепная) организация — отдельные элементы могут располагаться в памяти как угодно (теоретически), но каждый элемент хранит, кроме своего значения, указатели на связанные с ним элементы.
В С++ непрерывная организация используется для встроенных составных типов данных (массивы, struct и union). Ещё раз обратим внимание, что при таком способе требуется сразу выделить память для всех элементов структуры, чтобы обеспечить её непрерывность. Даже при динамическом выделении памяти под массив при помощи операции new или функции malloc (calloc) память всегда выделяется в виде непрерывной области заданного размера.
Для организации связных структур в С++ в большинстве случаев используются указатели. Например, каждый элемент связной структуры может содержать указатель на следующий (предыдущий) элемент или два указателя на два соседних с ним элемента. Из этого следует, что каждый элемент такой структуры состоит из двух различных по значению частей: содержательной (информационной) и указующей (рисунок 2.2). В содержательной части хранятся данные, для обработки которых и существует данная структура. В указующую часть помещаются указатели на связанные элементы.
Рисунок 2.2 Элемент связной структуры данных
При таком подходе нет никакой необходимости выделять память для всех элементов сразу – можно будет захватывать память под каждый новый элемент по мере необходимости. Связные структуры на основе указателей, элементы которых создаются по мере необходимости в динамической памяти, часто называют динамическими структурами данных. Динамические структуры, в которых все элементы, за исключением (возможно) концевых, имеют по одному предыдущему и одному следующему элементу, называют линейными структурами или линейными списками (связными списками).
В процессе разработки программы часто приходится решать вопрос о выборе подходящей структуры организации данных, при этом часто альтернативными вариантами являются массивы и связные списки. Для полной ясности разберём плюсы и минусы каждого из вариантов.
Организация данных в виде связных структур на основе указателей обеспечивает более эффективное использование памяти по сравнению с массивами в случае, когда даже ориентировочно заранее не известно количество данных. При использовании массива в такой ситуации приходится резервировать память с большим избытком. С другой стороны, связная структура требует дополнительной памяти для хранения указателей, которая иногда может превышать размер полезной информации;
Для вставки и удаления элементов в заданной позиции связной структуры не требуется передвигать элементы, как при использовании массивов, достаточно только поменять значения указующих полей соседних элементов. Это преимущество любой связной структуры, независимо от того, как она реализована.
Основным недостатком связных структур является отсутствие прямого доступа к элементам по индексу. Сам принцип организации связных структур порождает последовательный способ доступа к их элементам (продвижение по цепочке, начиная с самого крайнего элемента, до тех пор, пока не будет достигнут нужный элемент данных).
Сравнение показывает, что ни одна из структур хранения не является идеальной, поэтому довольно часто используются структуры данных, в которых комбинируются непрерывная и связная организация.