Cấu trúc dữ liệu là một trong những khái niệm căn bản và quan trọng mà mỗi bạn đang học về lập trình đều phải nắm rõ. Trong bài viết này, hãy cùng Rikkei Academy tìm hiểu tất tần tật từ khái niệm, phân loại, các thao tác cơ bản đến các lưu ý khi sử dụng cấu trúc dữ liệu nhé! Show
Cấu trúc dữ liệu là gì?Cấu trúc dữ liệu (data structure) là cách tổ chức và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ máy tính một cách có hệ thống để dễ dàng truy xuất và thực hiện các thao tác trên dữ liệu đó. Cấu trúc giúp định nghĩa mối quan hệ giữa các phần tử dữ liệu và cung cấp các phương thức để thao tác trên chúng. Các cấu trúc dữ liệu phổ biến bao gồm các loại như mảng, danh sách liên kết, cây, đồ thị…Mỗi loại data structure có những đặc điểm riêng. Vì vậy việc hiểu và chọn cấu trúc phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả và hiệu suất của chương trình. Phân loại cấu trúc dữ liệu là gì?Cấu trúc dữ liệu được chia làm 2 loại chính:  Cấu trúc dữ liệu LinearCấu trúc dữ liệu tuyến tính là cấu trúc trong đó các phần tử dữ liệu được sắp xếp theo thứ tự tuần tự hoặc tuyến tính và mỗi phần tử được liên kết với các phần tử kế tiếp và trước đó của nó. Ví dụ về cấu trúc tuyến tính: mảng, ngăn xếp (stack), hàng đợi (queue), danh sách liên kết (linked list),…Trong cấu trúc dữ liệu Linear, còn được chia ra làm các loại gồm:
Cấu trúc dữ liệu tuyến tính thường được sử dụng trong các tình huống mà các phần tử cần được xếp theo thứ tự nhất định và có thể được truy cập bằng chỉ số hoặc con trỏ. Ví dụ như lưu trữ một danh sách sinh viên và có thể truy cập bằng số thứ tự. Cấu trúc dữ liệu Linear cũng được sử dụng khi cần sắp xếp, tìm kiếm, thêm hoặc xóa phần tử một cách hiệu quả. Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính (Nonlinear)Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính không có cấu trúc phân cấp rõ ràng, nghĩa là các phần tử có thể có nhiều phần tử con và/hoặc cha. Ví dụ về cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính bao gồm cây, đồ thị,….Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính thường được sử dụng khi các đối tượng trong chương trình có mối quan hệ phức tạp với nhau hoặc khi chúng có cấu trúc không đều. Ví dụ, cây được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thứ tự như các cây phân nhánh. Ngoài ra, cấu trúc dữ liệu nonlinear cũng được sử dụng trong các thuật toán tìm kiếm, định tuyến và tối ưu hóa mạng Lý do cần sử dụng cấu trúc dữ liệu là gì?Việc trình bày dữ liệu một cách dễ hiểu là rất quan trọng để lập trình viên có thể thực hiện thao tác một cách hiệu quả. Cấu trúc dữ liệu giúp tổ chức, truy xuất, quản lý và lưu trữ dữ dễ dàng hơn. Một số lý
Các cấu trúc dữ liệu phổ biến là gì?Dưới đây là 8 cấu trúc phổ biến nhất trong lập trình: Mảng (array)Mảng là một cấu trúc dữ liệu linear cho phép lưu trữ nhiều giá trị của cùng kiểu dữ liệu trong một biến. Thay vì cần tạo nhiều biến riêng lẻ để lưu trữ các giá trị đó, ta có thể sử dụng một mảng để lưu trữ chúng. Mảng được biểu diễn dưới dạng một danh sách các giá trị, mỗi giá trị có một vị trí riêng được gọi là chỉ số (index). Mảng được sử dụng để lưu trữ các phần tử có độ dài cố định và không thay đổi và khi cần truy cập nhanh đến các phần tử thông qua chỉ số. Mảng có thể được phân thành các loại khác nhau:
Một số ứng dụng của mảng bao gồm:
Tìm hiểu thêm về mảng trong Java. Danh sách liên kết (Linked List)Một danh sách liên kết (Linked List) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ một tập hợp các phần tử dữ liệu dưới dạng các nút (node). Mỗi nút chứa dữ liệu thực tế và các con trỏ (pointer) đến các nút khác trong danh sách. Linked List được sử dụng khi cần lưu trữ các phần tử có độ dài khác nhau và cần thêm hoặc xóa phần tử một cách linh hoạt. Danh sách liên kết (Linked List) có thể được phân thành các loại sau:
Một số ứng dụng của Linked List:
Tìm hiểu thêm về list trong Java. Hàng đợi (Queue)Hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu tuyến tính tương tự như Stack, trong đó phần tử đầu tiên được chèn vào đầu hàng đợi và phần tử cuối cùng được chèn vào cuối hàng đợi. Nó tương tự như một hàng đợi ở quầy bán vé, người đến trước sẽ được phục vụ trước. Queue được sử dụng khi cần quản lý các hoạt động theo kiểu FIFO và xử lý các yêu cầu một cách tuần tự. Hàng đợi (Queue) gồm các loại sau:
Một số ứng dụng của Queue:
Ngăn xếp (Stack)Một Stack là một cấu trúc dữ liệu tuyến tính mà theo nguyên tắc LIFO (Last In, First Out), tức là phần tử cuối cùng được thêm vào Stack sẽ được lấy ra đầu tiên. Các phép tính thêm và xóa phần tử trong Stack chỉ được thực hiện từ đầu của Stack, gọi là đỉnh của Stack. Stack được sử dụng khi cần quản lý các hoạt động theo kiểu LIFO và xử lý các yêu cầu theo thứ tự ngược lại với hàng đợi. Các hoạt động chính trong Stack như sau:
Một số ứng dụng của Stack:
Cây (Tree)Cây (tree) là một cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính và một hệ thống phân cấp chứa một tập hợp các nút sao cho mỗi nút trong cây lưu trữ một giá trị và một danh sách các tham chiếu đến các nút khác (các “con”). Các nút được chia ra làm một nút trung tâm, các nút cấu trúc và các nút lá. Tree được sử dụng khi cần tìm kiếm nhanh chóng các phần tử trong cây hoặc lưu trữ dữ liệu phân cấp. Cây (Tree) có thể được phân thành các loại sau:
Một số ứng dụng của Tree:
Đồ thị (Graph)Đồ thị (graph) là một cấu trúc dữ liệu bao gồm các điểm và các liên kết kết nối giữa chúng. Các điểm được gọi là đỉnh hoặc nút, và các liên kết được gọi là cạnh. Graph được sử dụng để mô hình hóa các mối quan hệ giữa các thực thể trong thế giới thực. Ví dụ, một đồ thị có thể mô tả các mối quan hệ giữa các người dùng trên mạng xã hội,.. Đồ thị (graph) được chia làm rất nhiều loại, một số loại đồ thị gồm:
Đồ thị có nhiều ứng dụng khác nhau, một số ứng dụng gồm:
Bảng băm (Hash table)Bảng băm (hash table) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ và truy xuất các giá trị với mỗi giá trị được liên kết với một khóa (key) duy nhất. Hash table hoạt động bằng cách sử dụng hàm băm (hash function) để tính toán giá trị băm (hash value) từ khóa và xác định vị trí lưu trữ tương ứng trong bảng băm. Hash table được sử dụng khi cần truy cập nhanh chóng đến các phần tử thông qua khóa và không cần thứ tự lưu trữ. Hàm băm phổ biến được sử dụng trong hashtable bao gồm phép chia (division method), phép nhân (multiplication method), và phép trộn (universal hashing). Các ứng dụng của bảng băm bao gồm:
Đống (Heap)Đống (heap) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ một tập hợp các phần tử sao cho các phần tử này luôn tuân theo một quy tắc sắp xếp được xác định trước. Cụ thể, trong một đống, mỗi phần tử có giá trị lớn hơn hoặc bằng (hoặc nhỏ hơn hoặc bằng) tất cả các phần tử con của nó. Heap được sử dụng khi cần tìm kiếm phần tử lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) trong một tập hợp phần tử và các thao tác thêm, xóa phần tử thường xuyên. Đống được chia thành hai loại chính:
Đống (heap) được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:
Ưu điểm và nhược điểm của các cấu trúc dữ liệu là gì?Ưu điểmNhược điểmMảng (array)Cho phép truy cập ngẫu nhiên và nhanh chóng đến các phần tử bằng chỉ số. Có khả năng lưu trữ các phần tử liên tiếp trong bộ nhớ, giúp tăng hiệu suất truy cập. Kích thước mảng cố định, không thể thay đổi trong quá trình thực thi. Không thể chèn hoặc xóa phần tử giữa mảng mà không làm thay đổi vị trí của các phần tử khác. Danh sách liên kết (Linked List)Cho phép lưu trữ các phần tử có độ dài khác nhau. Có thể thêm hoặc xóa phần tử một cách linh hoạt. Khả năng mở rộng kích thước danh sách trong quá trình thực thi. Không thể truy cập ngẫu nhiên đến các phần tử, mà phải duyệt danh sách từ đầu đến cuối. Tốc độ truy cập chậm hơn so với mảng. Hàng đợi (Queue)Giúp quản lý các hoạt động theo kiểu “First-In-First-Out” (FIFO) Dễ dàng triển khai và sử dụng trong các bài toán liên quan đến hàng đợi. Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể chèn hoặc xóa phần tử ở giữa hàng đợi. Ngăn xếp (Stack)Giúp quản lý các hoạt động theo kiểu “Last-In-First-Out” (LIFO). Dễ dàng triển khai và sử dụng trong các bài toán liên quan đến ngăn xếp. Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể chèn hoặc xóa phần tử ở giữa ngăn xếp. Cây (Tree)Cho phép tìm kiếm nhanh chóng các phần tử trong cây. Thao tác thêm, xóa và tìm kiếm các phần tử có độ phức tạp thấp. Có khả năng lưu trữ dữ liệu theo cấu trúc phân cấp. Phức tạp hơn so với các cấu trúc khác. Đôi khi khó triển khai và sử dụng. Đồ thị (Graph)Cho phép mô hình hóa các mối quan hệ phức tạp giữa các đối tượng. Có khả năng thực hiện các thuật toán tìm kiếm, duyệt và phân tích đồ thị. Phức tạp hơn so với các cấu trúc khác. Đôi khi khó triển khai và sử dụng. Bảng băm (Hash table)Cho phép truy cập nhanh chóng đến các phần tử thông qua khóa. Khả năng lưu trữ các phần tử không có thứ tự. Có thể xảy ra hiện tượng xung đột khóa (collision). Không thể thực hiện các thao tác truy vấn phức tạp. Đống (Heap)Cho phép truy cập nhanh chóng đến phần tử lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) trong đống. Thao tác thêm và xóa phần tử có độ phức tạp thấp. Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể tìm kiếm phần tử trong đống. Các thao tác phổ biến trên cấu trúc dữ liệuCác thao tác phổ biến bao gồm:
Các thao tác này có thể được thực hiện trên các loại cấu trúc khác nhau bằng cách sử dụng các thuật toán và phương pháp phù hợp. Vì vậy, bạn sẽ cần tìm hiểu kỹ hơn về từng cấu trúc để sử dụng chúng một cách hiệu quả và tối ưu. Các lưu ý khi sử dụng cấu trúc dữ liệu
Khác biệt giữa kiểu dữ liệu và cấu trúc dữ liệu là gì?Kiểu dữ liệu xác định các loại dữ liệu có thể được sử dụng trong chương trình thì cấu trúc dữ liệu xác định các dữ liệu được tổ chức và quản lý trong bộ nhớ. Thực tế, còn khá nhiều bạn nhầm lẫn giữa hai khái niệm này. Bảng phân tích dưới đây sẽ làm rõ sự khác biệt: Tính chấtKiểu dữ liệu (Data Type)Cấu trúc dữ liệu (Data Structure)Mô tảKhái niệm trừu tượng để mô tả kiểu dữ liệu của một giá trịLoại dữ liệuLà hình thức của biến có thể được gán giá trị. Nó xác định rằng biến cụ thể sẽ gán các giá trị của kiểu dữ liệu cụ thểLà một tập hợp các loại dữ liệu khác nhau. Toàn bộ dữ liệu đó có thể được đại diện bằng một đối tượng và sử dụng trong toàn bộ chương trình.Khả năng lưuCó thể lưu trữ giá trị nhưng không lưu trữ dữ liệuLưu trữ nhiều loại dữ liệu trong một đối tượngTriển khaiRriển khai trừu tượng (abstract implementation)Triển khai cụ thể (concrete implementation)Độ phức tạp của thuật toánKhông có độ phức tạp của thuật toánĐộ phức tạp của thuật toán có vai trò quan trọngLưu trữ giá trịKhông lưu trữ giá trị, chỉ đại diện cho kiểu dữ liệuDữ liệu và giá trị của nó được lưu trữ trong không gian bộ nhớ chính của máy tínhVí dụVí dụ int, float, double, …Ví dụ stack, queue, tree, … Kết luậnTóm lại, cấu trúc dữ liệu là một phần quan trọng của lập trình không thể bỏ qua. Việc tìm hiểu về các cấu trúc khác nhau sẽ giúp bạn xây dựng các chương trình, ứng dụng hiệu quả và tối ưu. Hy vọng qua bài viết này, đã giúp bạn có cái nhìn rõ hơn về cấu trúc dữ liệu và các cấu trúc phổ biến nhất hiện nay! Nếu bạn đang muốn tìm hiểu khóa học lập trình, tham khảo ngay Rikkei Academy! Với lộ trình tinh gọn, bám sát thực tế công việc cùng đội ngũ giảng viên luôn hỗ trợ 24/7 giúp bạn nhanh chóng trở thành lập trình viên chỉ trong 6 tháng! Đăng ký để nhận tư vấn miễn phí ngay! |
