Cấu trúc dữ liệu và giải thuật

Cấu trúc dữ liệu và giải thuật là một trong những môn học cơ bản của sinh viên ngành Công nghệ thông tin. Các cấu trúc dữ liệu và các giải thuật được xem như là 2 yếu tố quan trọng nhất trong lập trình, đúng như câu nói nổi tiếng của Niklaus Wirth:

Chương trình = Cấu trúc dữ liệu + Giải thuật (Programs = Data Structures + Algorithms).

Nắm vững các cấu trúc dữ liệu và các giải thuật là cơ sở để sinh viên tiếp cận với việc thiết kế và xây dựng phần mềm cũng như sử dụng các công cụ lập trình hiện đại.

1. Khái niệm

Cấu trúc dữ liệu (Data Structure) là cách lập trình để lưu trữ dữ liệu để dữ liệu có thể được sử dụng một cách hiệu quả. Hầu hết mọi ứng dụng doanh nghiệp đều sử dụng nhiều kiểu cấu trúc dữ liệu khác nhau theo cách này hay cách khác, vì nó mang lại nhiều lợi ích rất lớn không chỉ cho việc lưu trữ dữ liệu.

Thuật toán (Algorithms) là một thủ tục từng bước, xác định một tập hợp các lệnh được thực hiện theo một thứ tự nhất định để có được đầu ra mong muốn. Các thuật toán thường được tạo độc lập với các ngôn ngữ cơ bản, tức là một thuật toán có thể được triển khai bằng nhiều ngôn ngữ lập trình(C/C++, Java, Python, PHP…), với series tự học này sẽ cung cấp cho các bạn các ví dụ, code mẫu trên nhiều ngôn ngữ khác nhau…

Cấu trúc dữ liệu và giải thuật (CTDL & GT) là sự kết hợp và áp dụng một hoặc nhiều cấu trúc dữ liệu nào đó vào một hoặc nhiều thuật toán nào đó để có được đầu ra mong muốn một cách tối ưu và tốt nhất khi dữ liệu có số.

2. Tại sao phải học cấu trúc dữ liệu và giải thuật?

Khi các ứng dụng ngày càng phức tạp và nhiều dữ liệu, có ba vấn đề phổ biến mà các ứng dụng phải đối mặt ngay bây giờ.

Tìm kiếm dữ liệu – Tìm kiếm một sản phẩm nào đó trong cả tỉ tỉ dữ liệu càng ngày càng lớn. Khi dữ liệu phát triển, tìm kiếm sẽ trở nên chậm hơn. Vì vậy cần CTDL & GT để nâng cao hiệu suất hơn.
Tốc độ bộ xử lý – Tốc độ bộ xử lý mặc dù rất cao nhưng sẽ bị giới hạn nếu dữ liệu tăng lên đến hàng tỷ dữ liệu.
Nhiều yêu cầu – Vì hàng nghìn người dùng có thể tìm kiếm dữ liệu đồng thời trên một máy chủ web, ngay cả máy chủ nhanh cũng bị lỗi trong khi tìm kiếm dữ liệu.

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, cấu trúc dữ liệu ra đời để giải cứu. Dữ liệu có thể được tổ chức theo cấu trúc dữ liệu theo cách mà tất cả các mục có thể không được yêu cầu tìm kiếm và dữ liệu cần thiết có thể được tìm kiếm gần như ngay lập tức.

Hầu hết các chương trình, ứng dụng hiện nay đều phải có dữ liệu và xử lý chúng, vì vậy CTDL&GT rất quan trọng trong cả học tập và đi làm.

3. Ứng dụng của nó

Từ quan điểm cấu trúc dữ liệu, sau đây là một số loại thuật toán quan trọng mà chúng ta thường dùng trong thực tế như:
Tìm kiếm – Thuật toán tìm kiếm một mục trong cấu trúc dữ liệu.
Sắp xếp – Thuật toán sắp xếp các mục theo một thứ tự nhất định.
Chèn – Thuật toán chèn mục trong cấu trúc dữ liệu.
Cập nhật – Thuật toán cập nhật một mục hiện có trong cấu trúc dữ liệu.
Xóa – Thuật toán xóa một mục hiện có khỏi cấu trúc dữ liệu.

Các vấn đề sau có thể được giải quyết bằng cách sử dụng Cấu trúc dữ liệu:
- Chuỗi số Fibonacci
- Vấn đề Knapsack
- Tháp Hà Nội
- Tất cả các cặp đường đi ngắn nhất của Floyd-Warshall
- Con đường ngắn nhất của Dijkstra
- Lập kế hoạch dự án

4. Tài liệu và lộ trình học

Yêu cầu đầu tiên bản phải thành thạo ít nhất một trong các ngôn ngữ lập trình sau: C/C++ Java, Python, C#, PHP,…Để bạn có thể thực hành cấu trúc dữ liệu và giải thuật để từ đó bạn sẽ hiểu, nhớ lâu hơn về chúng.