Введение
В учебном пособии рассматриваются вопросы программной реализации основных важнейших структур данных, таких как стеки, очереди, списки, деревья и их различных комбинаций. Для большинства структур приводятся различные способы реализации – статические и динамические, даются рекомендации по их практическому применению. Во второй части приводятся алгоритмы сортировки данных, причем основное внимание уделяется методам сортировки массивов, включая все основные простейшие и улучшенные методы и несколько наиболее известных специальных.
Пособие содержит большое число примеров фрагментов программ, а также задания для самостоятельного практического решения. Выполнение практических заданий является абсолютно необходимым, поскольку именно оно развивает навыки самостоятельного написания, выполнения и отладки программ. Наиболее сложные задания имеют рекомендации по программной реализации, облегчающие их выполнение.
Материал учебного пособия соответствует содержанию Государственного образовательного стандарта по одноименному учебному курсу для студентов специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» и предполагает знание студентами основ классического структурного программирования. Отдельные темы пособия могут быть полезны и для студентов других специальностей, связанных с информационными и компьютерными технологиями.
Раздел 1. Основные структуры данных
Тема 1. Введение в структуры данных. Динамическое распределение памяти
Классификация структур данных
Типизация данных является одним из фундаментальных понятий современного программирования. Отнесение переменных к тому или иному типу позволяет установить внутренний формат хранения значений этой переменной и набор допустимых операций. Все распространенные языки программирования имеют набор базовых простейших типов данных (целочисленные, вещественные, символьные, логические) и возможность объединения их в составные наборы – массивы, записи, файлы. Понятие структуры данных определяется двумя моментами:
способом объединения отдельных компонент в единую структуру
способами обработки как отдельных компонент структуры так и всей структуры в целом.
Например, классическая структура МАССИВ есть объединение однотипных компонент, причем каждая компонента имеет фиксированный порядковый номер-индекс размещения в массиве. Доступ к элементам массива выполняется именно по этому индексу. Аналогично, структура ЗАПИСЬ является объединением разнотипных компонент-полей, доступ к которым выполняется по имени поля.
Обе эти стандартные структуры служат основой построения других важных структур, широко используемых в различных приложениях: стеки, очереди, списки, деревья, графы. Каждая из них имеет свои особенности объединения компонент и особенности обработки. Основные структуры данных представлены на следующей схеме.
Большинство дополнительных структур данных можно реализовать двумя способами:
статически на основе массива
динамически с помощью специальных переменных-указателей
Структуры
данных
Базовые
(встроенные) дополнительные
массивы записи файлы линейные нелинейные
деревья графы двоичные общие списки очереди стеки приоритетные упорядоченные двунаправленные
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, которые будут рассмотрены в последующих разделах при детальном описании каждой из структур данных.
Поскольку весьма часто возможны несколько способов реализации одной и той же структуры данных, возникает вопрос о едином унифицированном способе описания подобных структур. Такое описание принято называть абстрактным типом данных (АТД).
АТД – это формализованное описание (модель), определяющее организацию и набор возможных операций с описываемыми данными. Важность АТД определяется тем, что они позволяют отделить описание данных от их реализации и скрыть от пользователя детали реализации, оставив ему только открытый слой взаимодействия с данными – так называемый интерфейс. Даже простейшие встроенные типы данных можно описать в терминах АТД, хоть это и не имеет большого практического значения, т.к. простейшие типы встроены в сам язык программирования. Понятие АТД получило свое дальнейшее развитие в объектно-ориентированном программировании в виде фундаментального понятия “класс”, рассмотрение которого выходит за рамки данного пособия.
Прежде чем перейти к детальному описанию основных структур данных, необходимо рассмотреть вопрос использования в программах переменных указательного типа и механизма динамического распределения памяти.