Giới Thiệu
Các cấu trúc dữ liệu (Data Structures) là nòng cốt trong khoa học máy tính và là yêu cầu cần thiết đối với bất kỳ software engineer nào. Việc lựa chọn cấu trúc dữ liệu phù hợp ảnh hưởng đến hiệu năng, bộ nhớ và khả năng mã hoá tối ưu. Bài viết này sẽ đi sâu vào các cấu trúc dữ liệu quan trọng, cách chúng hoạt động, độ phức tạp và trường hợp sử dụng.
1. Array (Mảng)
Khái niệm:
Array là cấu trúc dữ liệu tuyến tính gồm các phần tử được lưu trữ liên tiếp trong bộ nhớ.
Đặc điểm:
- Truy cập ngẫu nhiên O(1).
- Chèn và xóa mất O(n) do phải dịch chuyển.
Khi nào dùng?
- Khi cần truy cập nhanh theo index.
- Khi dữ liệu không thay đổi nhiều.
2. Linked List (Danh Sách Liên Kết)
Khái niệm:
Là tập hợp các node, trong đó mỗi node chứa dữ liệu và con trỏ đến node tiếp theo.
Đặc điểm:
- Chèn và xóa nhanh (O(1) nếu đang có con trỏ).
- Truy cập theo index mất O(n).
Khi nào dùng?
- Khi cần thao tác chèn/xóa thường xuyên.
- Khi không biết trước kích thước danh sách.
3. Stack (Ngăn Xếp)
Khái niệm:
Cấu trúc dữ liệu hoạt động theo nguyên tắc LIFO (Last In, First Out).
Đặc điểm:
- Push và Pop mất O(1).
- Không hỗ trợ truy cập ngẫu nhiên.
Khi nào dùng?
- Xử lý hàm đệ quy.
- Quản lý undo/redo.
4. Queue (Hàng Đợi)
Khái niệm:
Cấu trúc hoạt động theo nguyên tắc FIFO (First In, First Out).
Đặc điểm:
- Enqueue và Dequeue mất O(1).
- Không hỗ trợ truy cập ngẫu nhiên.
Khi nào dùng?
- Xử lý tác vụ theo thứ tự.
- Quản lý hàng đợi request trong hệ thống.
5. Hash Table (Bảng Băm)
Khái niệm:
Sử dụng hàm băm để ánh xạ index từ key.
Đặc điểm:
- Truy cập, chèn, xóa trung bình O(1).
- Khi xử lý xung đột, hiệu năng có thể tồi O(n).
Khi nào dùng?
- Tìm kiếm nhanh theo key.
- Lưu trữ các cặp giá trị key-value.
6. Binary Search Tree (Cây Nhị Phân Tìm Kiếm - BST)
Khái niệm:
Cây nhị phân, trong đó giá trị nhỏ hơn node cha nằm về trái, lớn hơn nằm về phải.
Đặc điểm:
- Tìm kiếm, chèn, xóa trung bình O(log n).
- Trường hợp xấu nhất có thể mất O(n).
Khi nào dùng?
- Tìm kiếm nhanh trong dữ liệu lớn.
- Xử lý danh sách tìm kiếm tự động.
- Nếu cần tối ưu cân bằng, có thể sử dụng AVL Tree, Red-Black Tree.
7. Graph (Đồ Thị)
Khái niệm:
Cấu trúc dữ liệu biểu diễn các mối quan hệ giữa các phần tử thông qua các đỉnh (nodes) và cạnh (edges).
Đặc điểm:
- Biểu diễn bằng danh sách kề hoặc ma trận kề.
- Các thuật toán quan trọng: BFS, DFS, Dijkstra, Floyd-Warshall.
Khi nào dùng?
- Mô hình hoá mạng xã hội, đường đi ngắn nhất.
- Quản lý các mối quan hệ phức tạp trong hệ thống.
8. Trie (Prefix Tree)
Khái niệm:
Trie là cây tìm kiếm chuyên dùng để lưu trữ và truy xuất chuỗi một cách hiệu quả.
Đặc điểm:
- Tìm kiếm từ nhanh chóng O(m) với m là độ dài chuỗi.
- Tiết kiệm bộ nhớ khi lưu trữ nhiều chuỗi có cùng tiền tố.
Khi nào dùng?
- Tìm kiếm từ điển, kiểm tra chính tả.
- Gợi ý từ khoá trong công cụ tìm kiếm.
Kết Luận
Việc chọn cấu trúc dữ liệu phù hợp sẽ tăng hiệu năng và tối ưu hệ thống. Hiểu rõ đặc điểm, độ phức tạp và trường hợp sử dụng là chìa khóa thành công. Khi lập trình, hãy xem xét:
- Nếu cần truy cập nhanh theo index → Dùng Array.
- Nếu cần chèn/xóa linh hoạt → Dùng Linked List.
- Nếu cần quản lý thứ tự vào ra → Dùng Stack hoặc Queue.
- Nếu cần tìm kiếm nhanh theo key → Dùng Hash Table.
- Nếu cần tìm kiếm trên dữ liệu có thứ tự → Dùng Binary Search Tree.
- Nếu cần xử lý mối quan hệ giữa các phần tử → Dùng Graph.
- Nếu cần xử lý chuỗi hiệu quả → Dùng Trie.
Hiểu và áp dụng đúng cấu trúc dữ liệu sẽ giúp phần mềm hoạt động hiệu quả hơn! 🚀