Динамические структуры данных

Динамические структуры данных основаны на использовании указателей и применении стандартных процедур и функций выделения/освобождения памяти в процессе работы программы. Они отличаются от статических структур данных, которые описываются в разделах описания типов и данных. Когда описывается статическая переменная в программе, то при компиляции программы выделяется оперативная память, в зависимости от типа переменной. При этом изменить размер выделенной памяти невозможно.

Например, если указан массив

char S[10];

то под него один раз в начале выполнения программ выделяется 10 байт оперативной памяти.

Динамические структуры характеризуются непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе ее обработки.

Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным. Элемент динамической структуры состоит из двух полей:

1) информационного поля или поля данных, в котором содержатся те данные, ради которых и создается структура; в общем случае информационное поле само является интегрированной структурой – записью, вектором, массивом, другой динамической структурой и т.п.;

2) поля связок, в которых содержатся один или несколько указателей, связывающих данный элемент с другими элементами структуры.

Когда связное представление данных используется для решения прикладной задачи, для конечного пользователя "видимым" делается только содержимое информационного поля, а поле связок используется только программистом-разработчиком.

Достоинства связного представления данных:

· в возможности обеспечения значительной изменчивости структур;

· размер структуры ограничивается только доступным объемом машинной памяти;

· при изменении логической последовательности элементов структуры требуется не перемещение данных в памяти, а только коррекция указателей;

· большая гибкость структуры.

Вместе с тем связное представление не лишено и недостатков, основные из которых:

· на поля связок расходуется дополнительная память;

· доступ к элементам связной структуры может быть менее эффективным по времени.

Последний недостаток является наиболее серьезным и именно им ограничивается применимость связного представления данных. Если в смежном представлении данных (массивы) для вычисления адреса любого элемента нам во всех случаях достаточно было номера элемента и информации, содержащейся в дескрипторе структуры, то для связного представления адрес элемента не может быть вычислен из исходных данных. Дескриптор связной структуры содержит один или несколько указателей, позволяющих войти в структуру, далее поиск требуемого элемента выполняется следованием по цепочке указателей от элемента к элементу. Поэтому связное представление практически никогда не применяется в задачах, где логическая структура данных имеет вид вектора или массива - с доступом по номеру элемента, но часто применяется в задачах, где логическая структура требует другой исходной информации доступа (таблицы, списки, деревья и т.д.).

К динамическим структурам, используемым в программировании, относятся:

· динамические массивы (были рассмотрены в теме 6);

· линейные списки;

· стек;

· очередь, дек;

· деревья.

Линейные списки

Списком называется упорядоченное множество, состоящее из переменного числа элементов, к которым применимы операции включения, исключения. Список, отражающий отношения соседства между элементами, называется линейным. Длина списка равна числу элементов, содержащихся в списке, список нулевой длины называется пустым списком. Линейные связные списки являются простейшими динамическими структурами данных.

Графически связи в списках удобно изображать с помощью стрелок, как было показано в разделе описания указателей. Если элемент списка не связан с любым другим, то в поле указателя записывают значение, не указывающее ни на какой элемент (пустой указатель). Такая ссылка в Паскале обозначается nil, а на схеме обозначается перечеркнутым прямоугольником. Ниже приведена структура односвязного списка (рис.40), т.е. связь идет от одного элемента списка к другому в одном направлении. Здесь поле D – это информационное поле, в котором находятся данные (любой допустимый в языке Паскаль тип), поле N (NEXT) – указатель на следующий элемент списка.

Каждый список должен иметь следующие указатели: Head – голова списка, Cur – текущий элемент списка, иногда в односвязных списках также используется указатель Tail – хвост списка (в двухсвяхных списках он используется всегда). Поле указателя последнего элемента списка является пустым, в нем находится специальный признак nil, свидетельствующий о конце списка и обозначается перечеркнутым квадратом.

Двухсвязный линейный список отличается от односвязного наличием в каждом узле списка ещё одного указателя B (Back), ссылающегося на предыдущий элемент списка (рис.41).

Структура данных, соответствующая двухсвязному линейному списку описывается на языке Си следующим образом:

struct list

{

int value; // значение элемента

struct list *next; // указатель на следующий элемент

struct list *back; // указатель на предыдующий элемент

}

 

При работе с линейными списками используются следующие основные операции:

· создание списка;

· добавление нового элемента в список: в голову списка, в хвост списка, после текущего элемента списка, перед текущим элементом списка;

· удаление элемента из списка;

· обход списка с целью его обработки;

· поиск узла в списке;

· переход на узел в списке по номеру от начала и другие операции.

Создание списка

При создании списка нужно выполнить следующие действия (рис. 42):

· выделить память;

· «обнулить» указатели на предыдущий и последующий элементы;

· определить указатели на голову, хвост и текущий элемент списка;

· внести в информационную часть списка данные.