Алгоритмы и структуры данных

Алгоритмы и структуры данных - теоретические основы программирования

Программист - востребованная в последнее время профессия. Эти специалисты находят себе применение везде, получают высокие зарплаты, работают над интересными проектами, которые меняют окружающую действительность, за реально хороших программистов ведут борьбу крупные компании. Но прежде чем стать высококлассным специалистом по написанию кодов, нужно освоить азы этой профессии. И для программиста это - алгоритмы и структуры данных. 

Один из самых важных терминов для структур данных - это интерфейс. Интерфейс - это список операций, которые поддерживает конкретная структура данных, те команды, которые она может выполнять. Изучается и реализация - это то, что представляет собой структура данных внутри. 

Структура данных должна соответствовать нескольким критериям:

• сложность времени - чем меньше времени тратится на выполнение команды структурой данных, тем лучше,
• сложность выполнения - чем меньше усилий и ресурсов тратится на создание и реализацию структуры данных, тем лучше,
• корректность - структура данных должна работать и реагировать на команды, внесенные в ее интерфейс.

Время и сложность - ключевые параметры выполнения структур данных. В зависимости от эффективности выполнения операций по структурам данных выделяют три сценария, или случая: наилучший - при котором алгоритм реализуется быстрее всего и с минимальными расходами ресурсов, средний - на это тратится среднее количество времени, наихудший - на его реализацию требуется максимально возможное количество времени. Все программирование направлено на поиск того самого наилучшего сценария, при котором алгоритм будет реализовываться с минимальными усилиями и быстро. 

Алгоритмы

От простого понятия структур данных переходим к более сложному термину - алгоритму.

Структуры данных и алгоритмы тесно связаны между собой - без подходящих, верно отсортированных и выстроенных данных невозможно построить эффективный алгоритм.

Существует несколько базовых категорий алгоритмов, которые они могут выполнять в структурах данных:

• поиск - искать определенные элементы среди множества других,
• сортировка - отобрать несколько элементов, которые соотносятся друг с другом по определенному признаку или их совокупности,
• вставка - добавление одного элемента в структуру данных,
• обновление - уже существующий элемент в структуре данных обновляет свои характеристики,
• удаление - один элемент из структуры данных удаляется.

Однако не каждую последовательность операций можно назвать алгоритмом - чтобы называться таковым, он должен соответствовать нескольким параметрам:

• простота - алгоритм должен приводить только к одному результату и не допускать разночтений,
• входные и выходные данные - у алгоритма должны быть четко определенные входные и выходные данные,
• алгоритм не должен быть бесконечным, он должен заканчиваться через определенное количество шагов,
• реальность - алгоритм не должен быть неосуществимым,
• алгоритм должен быть независим от программного кода.

Для чего программисту нужно изучать структуры данных и алгоритмы?

Объем данных в базах и сложность современных программ и приложений постоянно усложняется, поэтому программисты-новички сталкиваются с несколькими проблемами:

• поиск данных - даже при нынешних скоростях обработки информации найти нужный элемент среди миллионов схожих сложно,
• скорость, хотя и постоянно растет, ограничена, особенно когда речь идет об особо крупных множествах элементов,
• множественность запросов - сервер легко можно обрушить и без хакерских атак, пользователям достаточно обратиться к нему одновременно, чтобы остановить его работу. 

Эти проблемы и призваны решить структуры данных и реализуемые по ним алгоритмы. Структуры данных сформированы таким образом, что поиск по ним ведется максимально быстро, используя минимум памяти и ресурсов машины. 

Структуры данных помогут решить с помощью программы известные математические задачи: например, задачу о ранце или ханойской башне, а также поиск последовательности чисел Фибоначчи. Алгоритмы структур данных нашли применение в современном планировании и проектировании. 

Программы

Алгоритм и программа тесно связаны между собой. Программа - это материальное выражение алгоритма, его запись в числовой форме, в виде программного кода. Стандартов написания алгоритма нет - есть приблизительные схемы, которых программист может придерживаться. На самом деле написание кода - такая же творческая задача, как и написание художественного текста. Подготовка алгоритма начинается с изучения проблемной области, в которой нужно найти решение - узнать все о данных и их структуре.

Эффективность реализации алгоритма можно оценить двумя способами - с теоретической точки зрения и с использованием конкретного языка программирования, а затем протестировать быстродействие программы на компьютере.

Изучение алгоритмов крайне важно для программиста или разработчика. Именно знание структур данных и алгоритмов их реализации поможет оптимизировать код, сделать его более быстрым и простым. А в программировании простота означает минимум памяти, времени и ресурсов, которые тратятся на разработку кода. И сократить расход ресурсов и одновременно повысить эффективность реализации поможет именно глубокое знание основ структур данных и алгоритмов.