1.2 Что такое алгоритм¶
1.2.1 Определение алгоритма¶
Алгоритм (algorithm) - это набор инструкций или шагов, предназначенных для решения конкретной задачи за ограниченное время. Он обладает следующими свойствами.
- Задача четко определена и включает ясные определения входных и выходных данных.
- Обладает осуществимостью и может быть выполнен за ограниченное количество шагов, времени и памяти.
- Каждый шаг имеет определенное значение, и при одинаковых входных данных и условиях выполнения результат всегда будет одинаковым.
1.2.2 Определение структуры данных¶
Структура данных (data structure) - это способ организации и хранения данных, включающий содержимое данных, их взаимосвязи и методы операций с ними. Структура данных преследует следующие цели.
- Минимизировать занимаемое пространство для экономии памяти компьютера.
- Обеспечивать максимально быструю обработку данных, включая доступ, добавление, удаление и обновление данных.
- Обеспечивать простое представление данных и логическую информацию для эффективного выполнения алгоритмов.
Проектирование структуры данных - это процесс, полный компромиссов. Если вы хотите улучшить один аспект, часто приходится идти на уступки в другом. Приведем два примера.
- Связный список, по сравнению с массивом, более удобен для добавления и удаления данных, но имеет проблемы со скоростью доступа к данным.
- Граф, по сравнению со связным списком, предоставляет более богатую логическую информацию, но требует большего объема памяти.
1.2.3 Связь между структурами данных и алгоритмами¶
Как показано на рисунке 1-4, структуры данных и алгоритмы тесно взаимосвязаны, что проявляется в следующих трех аспектах.
- Структуры данных являются основой алгоритмов. Они обеспечивают структурированное хранение данных и методы их обработки.
- Алгоритмы оживляют структуры данных. Сами по себе структуры данных лишь хранят информацию, но в сочетании с алгоритмами они позволяют решать конкретные задачи.
- Алгоритмы можно реализовать на основе различных структур данных, однако эффективность их выполнения может значительно различаться, поэтому выбор подходящей структуры данных является ключевым фактором.
Рисунок 1-4 Связь между структурами данных и алгоритмами
Структуры данных и алгоритмы подобны конструктору, как показано на рисунке 1-5. Комплект конструктора, помимо множества деталей, содержит также подробную инструкцию по сборке. Следуя этой инструкции шаг за шагом, можно собрать красивую модель.
Рисунок 1-5 Сборка конструктора
Подробное описание аналогии с конструктором представлено в таблице 1-1.
Таблица 1-1 Сравнение структур данных и алгоритмов с конструктором
| Структуры данных и алгоритмы | Конструктор |
|---|---|
| Входные данные | Несобранные детали конструктора |
| Структура данных | Организация деталей конструктора, включая форму, размер, способы соединения и т. д. |
| Алгоритм | Последовательность действий по сборке деталей в целевую модель |
| Выходные данные | Собранная модель конструктора |
Стоит отметить, что структуры данных и алгоритмы не зависят от языка программирования. Именно поэтому данная книга предлагает их реализации на различных языках.
Принятое сокращение
В реальных обсуждениях выражение «структуры данных и алгоритмы» обычно сокращают до просто «алгоритмы». Например, хорошо известные задачи LeetCode на деле одновременно проверяют знания и по структурам данных, и по алгоритмам.