Вопрос 19

19. Структуры данных. Определение. Простые структуры данных: таблица, стек, очередь. Их назначение и использование в программе.

Структура данных— программная единица, позволяющая хранить и обрабатывать множество однотипных и/или логически связанныхданныхввычислительной технике. Для добавления, поиска, изменения и удаления данных структура данных предоставляет некоторый набор функций, составляющих её интерфейс. Структура данных часто является реализацией какого-либоабстрактного типа данных.

Выбор и реализация структуры данных насколько же важны, как и процедуры для обработки данных. Способ организации и доступа к информации обычно определяется природой программируемой задачи. Таким образом, для программиста важно иметь в своем распоряжении приемы, подходящие для различных ситуаций.

Степень привязки типа данных к своему машинному представлению находится в обратной зависимости от его абстракции. Другими словами, чем более абстрактными становятся типы данных, тем больше концептуальное представление о способе хранения этих данных отличается от реального, фактического способа их хранения в памяти компьютера Простые типы, например, char или int, тесно связаны со своим машинным представлением. Например, машинное представление целочисленного значения хорошо аппроксимирует соответствующую концепцию программирования. По мере своего усложнения типы данных становятся концептуально менее похожими на свои машинные эквиваленты. Так, действительные числа с плавающей точкой более абстрактны, чем целые числа. Фактическое представление типа float в машине весьма приблизительно соответствует представлению среднего программиста о действительном числе. Еще более абстрактной является структура, принадлежащая к составным типам данных.

На следующем уровне абстракции сугубо физические аспекты данных отходят на второй план вследствие введения механизма доступа(data engine) к данным, то есть механизмасохраненияиполученияинформации. По существу, физические данные связываются с механизмом доступа, который управляет работой с данными из программы. Именно механизмам доступа к данным и посвящена эта глава.

Существует четыре механизма доступа:

• Очередь (queue)

• Стек (stack)^[1]

• Связанный список (linked list)^[2]

• Двоичное дерево (binary tree)^[3]

Каждый из этих методов дает возможность решать задачи определенного класса. Эти методы по существу являются механизмами, выполняющими определенные операции сохранения и получения передаваемой им информации на основе получаемых ими запросов. Они все сохраняют и получают элемент, здесь под элементом подразумевается информационная единица. В этой главе показано, как создавать такие механизмы доступа на языке С. При этом проиллюстрированы некоторые распространенные приемы программирования в С, включая динамическое выделение памяти и использование указателей.

Очереди

Очередь — это линейный список информации, работа с которой происходит по принципу "первым пришел — первым вышел" (first-in, first-out); этот принцип (и очередь как структура данных) иногда еще называется FIFO^[1]. Это значит, что первый помещенный в очередь элемент будет получен из нее первым, второй помещенный элемент будет извлечен вторым и т.д. Это единственный способ работы с очередью; произвольный доступ к отдельным элементам не разрешается.

Следует иметь в виду, что операция извлечения удаляет элемент из очереди и уничтожает его, если он не хранится где-нибудь в другом месте. Поэтому после извлечения всех элементов очередь будет пуста.

В программировании очереди применяются при решении многих задач. Один из наиболее популярных видов таких задач — симуляция. Очереди также применяются в планировщиках задач операционных систем и при буферизации ввода/вывода.

Циклическая очередь

При изучении предыдущего примера программы планирования встреч, вероятно, вам в голову мог прийти следующий способ ее улучшения: при достижении конца массива, в котором хранится очередь, можно не останавливать программу, а устанавливать индексы вставки (spos) и извлечения (rpos) так, чтобы они указывали на начало массива. Это позволит помещать в очередь любое количество элементов при условии их своевременного извлечения. Такая реализация очереди называется циклической очередью, поскольку массив используется так, будто он представляет собой не линейный список, а кольцо.

Вероятно, чаще всего циклические очереди применяются в операционных системах для хранения информации, учитываемой и записываемой в дисковые файлы или на консоль. Циклические очереди также используются в программах обработки реального времени, которые должны продолжать обрабатывать информацию, буферизируя при этом запросы на ввод/вывод. Многие текстовые процессоры используют этот прием во время переформатирования абзаца или выравнивания строки. Вводимый текст не отображается на экране до окончания процесса. Для этого прикладная программа должна проверять нажатие клавиш во время выполнения другой задачи. Если какая-либо клавиша была нажата, введенный символ быстро помещается в очередь, и процесс продолжается. После его завершения символы извлекаются из очереди.

Стеки

Стек(stack) является как бы противоположностью очереди, поскольку он работает по принципу "последним пришел — первым вышел" (last-in, first-out, LIFO)^[1]. Чтобы наглядно представить себе стек, вспомните стопку тарелок. Первая тарелка, стоящая на столе, будет использована последней, а последняя тарелка, положенная наверх — первой. Стеки часто применяются в системном программном обеспечении, включая компиляторы и интерпретаторы.

При работе со стеками операции занесения и извлечения элемента являются основными. Данные операции традиционно называются "затолкать в стек" (push)^[2]и "вытолкнуть из стека" (pop)^[3]. Поэтому для реализации стека необходимо написать две функции: push(), которая "заталкивает" значение в стек, и pop(), которая "выталкивает" значение из стека. Также необходимо выделить область памяти, которая будет использоваться в качестве стека. Для этой цели можно отвести массив или динамически выделить фрагмент памяти с помощью функций языка С, предусмотренных для динамического распределения памяти. Как и в случае очереди, функция извлечения получает из списка элемент и удаляет его, если он не хранится где-либо еше. Ниже приведена общая форма функций push() и pop(), работающих с целочисленным массивом. Стеки данных другого типа можно организовывать, изменив базовый тип данных массива.