C2142 Návrh algoritmů pro přírodovědce 3. Základní datové struktury Tomáš Raček Jaro 2022 Datové struktury Datová struktura popisuje uložení dat v paměti počítače. Výběr datové struktury ovlivňuje: • množství použité paměti (režie konkrétní struktury) • složitost operací nad touto strukturou, např.: • přidání/odebrání prvku • zpřístupnění prvku • sekvenční průchod přes všechny prvky • nalezení minimálního/maximálního prvku • … Aktuálně známe: • jednoduché proměnné (celá čísla, desetinná čísla, znaky,…) • pole Pole I Pole je soubor prvků stejného typu uložených v paměti za sebou. Vlastnosti: • zabírá souvislou oblast v paměti • zpřístupnění prvku přes jméno pole a index (př. A[i + 1]) Indexace v poli • výpočet adresy konkrétního prvku: adresa prvního prvku (A) + velikost typu (D) * počet předchozích prvků • 1D: adresa A[i] = A + D · i • 2D: adresa A[i][j] = A + D · (i · n + j) • 3D: adresa A[i][j][k] = A + D · (i · n2 + j · n + k) Pole II Výhody pole: • jednoduchá implementace • přímočaré použití • zpřístupnění prvku v konstantním čase • sekvenční přístup vede často v praxi k vysokému výkonu (díky využití vyrovnávací paměti) Nevýhody pole: • problematická změna velikosti – Jak přidám/odeberu prvek? Statické vs. dynamické datové struktury Statické datové struktury (např. pole) mají pevně danou velikost. • neflexibilní přístup • lze nadhodnotit velikost → plýtvání paměti ve většině případů Dynamické datové struktury nabízí implicitní způsob změny velikosti. • složitější na implementaci • změna velikosti přináší jistou režii Dynamické pole I Nedostatky pole. Pole neumožňuje libovolně přidávat/odebírat prvky, změna jeho velikosti je složitá → je potřeba znovu alokovat souvislý kus paměti a kopírovat prvky. Pozorování • přidávat prvky na začátek/doprostřed pole je obtížné • přidání nebo odebrání prvku na konci pole je snazší → můžeme se vyhnout kopírování prvků • pro přidání prvku na konec pole musí být v paměti místo Dynamické pole. Rozšíření pole o možnost přidávat a odebírat prvky. Implementací jde o statické pole, které je logicky rozděleno na aktuálně zabranou a volnou oblast. Dynamické pole II • prvky lze na konec přidávat až do vyčerpání kapacity • poté je potřeba realokace celého pole, typicky např. na dvojnásobnou kapacitu • zjevně má přidání prvku na začátek/doprostřed/na konec pole lineární složitost Jak je tomu ale v praxi? Amortizovaná složitost Pozorování. Při přidávání prvku na konec dynamického pole je většina těchto operací rychlá – mají konstantní složitost. Pokud je ale nutné pole realokovat, složitost je lineární. • lineární složitost nastává ale velmi zřídka • někdy může být užitečnější jiný aparát pro popis složitosti Amortizovaná složitost neuvažuje operace izolovaně, ale v rámci větší skupiny. • poskytuje reálnější odhad pro dlouhodobé chování datové struktury • nedává horní odhad → některé operace mohou trvat „překvapivě“ dlouho Dynamické pole – amortizovaná složitost Příklad. Uvažme dynamické pole o n prvcích, kapacitě 2n a operaci přidání prvku na konec pole. • prvních n operací přidání prvku na konec má složitost O(1) • následující operace je ale v O(n) → způsobí zvětšení pole na dvojnásobek • dalších 2n těchto operací je opět rychlých • … Pozorování. Posloupnost n operací přidání prvku na konec pole má celkem složitost O(n). Závěr. Přidání prvku na konec dynamického pole má konstantní amortizovanou složitost. (Analogicky pro odebrání posledního prvku.) Dynamické pole IV – praxe Praxe. Dynamické pole je implementováno například jako list v Pythonu nebo std::vector v C++. Měření. Změřte dobu běhu programu, který postupně přidává celkem 100 000 prvků do pole (a) na začátek, (b) doprostřed, (c) na konec. (a) 8,7 s (b) 4,5 s (c) 0,1 s Závěr. Měření potvrzuje amortizovaný odhad složitosti. Dynamické pole je efektivní při přidávání/odebírání posledního prvku. Spojový seznam I Nedostatkem dynamického pole je přidávání/odebírání prvku mimo jeho konec. Spojový seznam představuje datovou strukturu s konstantní složitostí přidání/odebrání prvku. • každý prvek obsahuje ukazatel na prvek následující – next • na rozdíl od pole nevyžaduje souvislou oblast paměti Spojový seznam II Přístup ke spojovému seznamu je realizován přes ukazatel na jeho začátek – HEAD. Pro zvýšení efektivity přidávání prvků (→ O(1)) na konec seznamu lze využít ukazatel na konec seznamu – TAIL. Pozorování. Indexace (= zpřístupnění prvku) je v O(n). Průchod seznamem: • sekvenční průchod v O(n) – stejně jako u pole • v opačném pořadí ovšem O(n2)! Spojový seznam III – příklad Příklad operace nad spojovým seznamem Přidání prvku na začátek seznamu: 1. alokace paměti pro nový prvek N 2. kopie vlastních dat do N 3. nastavení N.next na aktuální HEAD 4. nastavení ukazatele HEAD na nový prvek Další typy spojových seznamů Oboustranně zřetězený spojový seznam. Je rozšířením spojového seznamu o ukazatel na předchozí prvek – prev. • průchod seznamem v opačném pořadí v O(n) • zvyšuje paměťovou náročnost Cyklický spojový seznam propojuje poslední prvek s prvním. Srovnání datových struktur Složitosti operací nad základními datovými strukturami: Operace Pole Dynamické pole Spojový seznam Indexace O(1) O(1) O(n) Vyhledávání O(n) O(n) O(n) Přidání prvku – O(n) / O(1)∗ O(1) Odebrání prvku – O(n) / O(1)∗ O(1) Paměťová režie – O(n) O(n) * amortizovaná složitost pro poslední prvek Závěr. Univerzálně nejlepší datová struktura neexistuje. Fronta I Fronta je datová struktura typu FIFO (First In First Out). Implementuje tzv. FCFS (First Come First Served) přístup. Operace: • enqueue – přidá prvek na konec fronty • dequeue – odebere prvek ze začátku fronty • obě lze implementovat v O(1) Fronta II Implementace fronty • (dynamické) pole • spojový seznam Prioritní fronta • každému prvku je přiřazeno číslo – priorita • priorita určuje, kam bude prvek do fronty zařazen • několik možných implementací Zásobník Zásobník je datová struktura typu LIFO (Last In First Out). Všechny ostatní vlastnosti jsou shodné s frontou. Operace: • push – přidá prvek na vrchol zásobníku • pop – odebere prvek z vrcholu zásobníku • obě lze implementovat v O(1) Abstraktní datový typ Abstraktní datový typ (ADT) je matematický model pro určité datové struktury definované svými operacemi a omezeními na nich. • teoretický koncept zjednodušující analýzu chování • někdy je součástí specifikace i složitost operací • konkrétní implementaci lze zvolit Příklady: seznam, fronta, zásobník, množina,… Ukázka pro zásobník • zásobník S, prvek k, proměnná X • S.push(k); X ← S.pop() je ekvivalentní X ← k • operace push() a pop() mají konstantní složitost