ساختمان داده و الگوریتم پایتون چیست – بررسی انواع ساختار داده در پایتون

زبان های برنامه نویسی برای اینکه ساختار و شکل کارآمدی برای حل مسئله داشته باشند باید دارای ساختمان داده و ساختار داده مشخصی باشند. زبان پایتون به عنوان یکی از زبان های برنامه نویسی پیشرو و محبوب دارای ساختار و ساختمان داده تعریف شده ای است که می خواهیم درباره آن بیشتر بدانیم. در کنار ساختمان داده الگوریتم پایتون قرار دارد که به ما کمک می کند مجموعه ای از دستورات را برای حل مسائل مختلف به ترتیب مشخصی اجرا کنیم. در این مطلب می‌خواهیم شما را با انواع ساختمان داده و الگوریتم پایتون آشنا کنیم و هرکدام از ساختار های داده پایتون را معرفی کنیم.

الگوریتم Algorithm چیست؟

قبل از اینکه به سراغ ساختار داده و الگوریتم‌های پایتون برویم ابتدا باید تعریف مشخصی از آنها داشته باشیم. واژه الگوریتم از نام پرآوازه دانشمند ریاضیدان و ستاره شناس ایرانی یعنی محمد بن موسی خوارزمی گرفته شده است. الگوریتم عبارت است از مجموعه متناهی از دستورات که برای حل مسئله‌ای با ترتیب مشخصی در کنار هم قرار داده می‌شوند.

به الگوریتم به عنوان روشی برای حل مسئله به صورت مرحله به مرحله نیز می توانیم نگاه کنیم. دستوراتی که الگوریتم می دهد باید بدون ابهام و با زبانی صریح و دقیق بیان شوند. هر الگوریتمی دارای شروع و پایانی مشخص شده است به طوری که وقتی از دستورات مشخص شده پیروی می کنیم، در تمامی حالات ممکن، الگوریتم پس از اتمام مراحل در به پایان خود برسد. البته زمان اجرای الگوریتم هم مهم است که در یک زمان نامتناهی نباشد و این زمان اجرای مراحل باید قابل محاسبه و معقول باشد.

چرا فهمیدن الگوریتم مسئله اهمیت دارد؟

همیشه باید مراحل انجام کار را برای طی کردن فرآیند پروژه از قبل برنامه ریزی کنیم تا بهترین راه را برای انجام آن پیدا کنیم. در اینجا الگوریتم به ما کمک خواهد کرد این مراحل را از ابتدا پیش بینی کنیم و مشکلات و موانع موجود بر سر راه اجرای پروسه ها را مشاهده کنیم. حال وقتی مشغول برنامه نویسی با هر زبانی هستیم ممکن است با مشکلاتی مواجه شویم به گونه ای که این مشکلات را قبلا ندیده بودیم و در این صورت نیاز است تا در میانه راه برنامه نویسی تازه به فکر راه حل جدیدی برای حل مشکل مطرح شده باشیم. در این حالت الگوریتم به ما کمک می کند راه حل مشخص و فکر شده ای را بررسی کنیم و برای انجام بهینه و بدون مشکل آن راه حل را اجرایی کنیم. در اصل الگوریتم به ما در بهتر فکر کردن و نگاه جدید به مشکلات از زاویه ی دیگر کمک خواهد کرد. در ادامه ی موضوع ساختمان داده و الگوریتم پایتون می خواهیم در مورد زبان برنامه نویسی پایتون و مزایا و معایب آن بیشتر بدانیم.

از آنجایی که نمیتوان در قالب یک مقاله به شکل کامل به بررسی موارد مربوط به الگوریتم ها پرداخت، پیشنهاد میکنیم برای یادگیری بهتر و بیشتر الگوریتم ها به مجموعه آموزش ساختمان داده و طراحی الگوریتم فرادرس مراجعه کنید. در این مجموعه آموزشی میتوانید هرآنچه برای طراحی الگوریتم نیاز است بدانید را با کمک اساتید و برنامه نویسان با تجربه بیاموزید. برای دریافت این مجموعه آموزشی روی لینک زیر کلیک کنید:

• مجموعه آموزش ساختمان داده و طراحی الگوریتم — کلیک کنید

آشنایی با زبان برنامه نویسی پایتون

زبان پایتون به عنوان یک زبان برنامه نویسی رایانه‌ای می‌باشد که به صورت یک زبان همه منظوره شناخته می‌شود و می‌توان از آن در طراحی وب‌سایت، نرم افزار، اپلیکیشن، ساخت اتوماسیون و انجام تحلیل داده‌ها استفاده کرد. همه منظوره بودن زبان پایتون به ما کمک خواهد کرد تا از آن برای ساخت انواع نرم افزارها و برنامه‌های مختلف بهره ببریم. از جمله ویژگی‌های مهم زبان پایتون می‌توان به ساده بودن و نیز همه کاره بودن آن اشاره کرد به گونه‌ای در حال حاضر طبق آمارهای رسمی، زبان پایتون به عنوان پرکاربردترین و محبوب‌ترین زبان برنامه نویسی شناخته شده است.

مزایای زبان پایتون

برخی از مزایای زبان برنامه نویسی پایتون عبارت‌اند از:

• دستورات زبان پایتون بسیار شبیه به زبان انگلیسی است که به عنوان زبان سطح بالا شناخته می‌شود و در این صورت نوشتن و خواندن کدهای پایتون ساده است.
• زبان پایتون به عنوان زبان بهینه شده شناخته می‌شود چون به دلیل ساده بودن توسعه دادن آن کار راحت‌تری است.
• در زبان پایتون توسعه دهندگان نیاز به زمان زیادی برای فهمیدن دستورات و سینتکس زبان پایتون ندارند و در نتیجه کدهای کمتری نوشته می‌شود و کارهای بیشتری انجام می‌شود.
• زبان پایتون را یک زبان مفسری و تفسیر شده می‌نامیم چون پایتون به طور مستقیم و خط به خط کدها را اجرا می‌کند. در این حالت وجود هر خطا و عیبی به‌راحتی مشخص می‌شود.
• کتابخانه‌های برنامه نویسی پایتون بسیار غنی هستند و می‌توانیم هر نوع تابعی که مورد نظرمان است برای کارها و اهداف مختلف پیدا کنیم و در این حالت نیازی به رجوع به کتابخانه‌های خارج از این زبان نیست.

معایب زبان پایتون

در کنار مزایا می توانیم به برخی معایب زبان پایتون اشاره کنیم :

• زبان پایتون کمی کند است که این مورد بخاطر اجرای خط به خط کدها می باشد که باعث کندی در اجرا می شود. پس زبان پایتون برای کارهایی که نیاز به سرعت بالا دارند خیلی مناسب نیست.
• زبان پایتون برای اینکه بخواهد سادگی خود را حفظ کند باید از مقدار حافظه ی بیشتری استفاده کند پس اگر در وبسایت، نرم افزار و پروژه شما مدیریت و میزان حافظه مهم است، زبان پایتون خیلی مناسب نیست.
• چون زبان پایتون از نوع یک زبان با تایپ پویا است پس متغیر تعریف شده در این زبان می تواند هر زمانی تغییر کند و وقتی مثلا به صورت یک عدد صحیح تعریف شده است بعدا به شکل یک رشته ی متنی دربیاید که این مورد می تواند باعث خطاهای در زمان اجرا شود.

آشنایی با ساختمان داده و الگوریتم پایتون

ساختمان داده و الگوریتم پایتون به عنوان 2 مورد از مهم‌ترین مباحث در علوم برنامه نویسی است به طوری که این ابزارها برای هر برنامه نویسی مهم و ضروری است. ساختارهایی که در زبان پایتون تعریف شده‌اند با ذخیره سازی داده و سازماندهی، در حافظه زمانی که برنامه‌ها در حال پردازش هستند درگیر است. الگوریتم‌های زبان پایتون هم از دستورالعمل‌هایی تشکیل شده که داده را برای اهداف خاصی پردازش می‌کنند. تمامی ساختارهای داده‌ی متعددی که توسط الگوریتم‌ها به صورت منطقی برای حل مسئله و مشکل تعریف شده‌اند برای برطرف کردن مشکلات خاص در تحلیل و تجزیه داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این‌گونه مشکلات می‌توانند به صورت یک معضل در دنیای واقعی ما باشند یا یک خطای لغوی در هنگام برنامه نویسی. برنامه نویس اگر می‌خواهد راه حل دقیق را کشف کند باید فهم کاملی نسبت به ساختار داده‌ها و الگوریتم‌ها در زبان برنامه نویسی پایتون داشته باشد.

• مجموعه آموزش برنامه نویسی پایتون (Python) — کلیک کنید

معرفی ساختار داده در زبان پایتون

سوال ابتدایی از ساختار داده این است که وظیفه ی ساختار داده ها چیست؟

در پاسخ به این باید گفت که ساختار داده‌ها جهت ذخیره سازی و ساماندهی انواع داده مورد استفاده قرار می‌گیرند. ساختارهای داده می‌توانند روابط بین عملیات‌های منطقی که بر روی اطلاعات انجام می‌شود و خود داده‌ها را به ما توضیح دهند. برای درک ساختمان داده و الگوریتم پایتون باید با ساختار داده آشنا شویم. ساختارهای داده‌ها به شیوه‌های مختلفی می‌توانیم دسته بندی و طبقه بندی کنیم. در اولین حالت می‌توانیم انواع ساختار داده را به داده‌های اصلی و فرعی دسته بندی کنیم.

ساختارهای داده اصلی که در زبان پایتون می‌توانیم نام ببریم عبارت‌اند از:

• اعداد صحیح
• اعداد شناور
• رشته ها
• بولی

ساختارهای داده فرعی هم که در زبان پایتون وجود دارند شامل:

• آرایه ها
• لیست
• تاپل
• دیکشنری
• مجموعه ها
• فایل ها

از جمله داده های فرعی که در پایتون طراحی و ساخته شده اند شامل:

• دیکشنری
• تاپل
• لیست
• مجموعه ها

در کنار ساختار داده های اصلی و فرعی، دسته دیگری وجود دارد که توسط برنامه نویس تعریف می شود که شامل : گراف، درخت، لیست های پیوندی، کوئری، پشته و Hashmap.

انواع ساختارهای داده اصلی در پایتون

ساختارهای داده اصلی در زبان پایتون به عنوان ساختارهای داده پایه شناخته می‌شوند که دارای مقادیر ساده و خالص می‌باشند که می‌توان از آنها به عنوان بلوک‌های اصلی برای دست‌کاری در داده‌ها استفاده کرد.

در ادامه می‌خواهیم چهار مورد ساختار داده اصلی را در زبان پایتون بررسی کنیم:

• اعداد صحیح

از این نوع داده برای نمایش دادن داده های عددی مانند اعداد صحیح و یا اعداد منفی بدون اعشار می توان استفاده کرد. عنوانی که برای اعداد صحیح استفاده می شود عبارت integer یا int است. پس اگر می خواهیم اعدادی مانند 3 ، 5- یا 200 را استفاده کنیم باید از نوع int باشند.

• اعداد شناور یا اعشاری

تعریف اعداد اعشاری مشخص است وقتی یک عدد صحیح همراه با یک نقطه و اعدادی بعد از آن باشد یک عدد اعشاری یا شناور نامیده می شود مانند 3.14 که با عدد صحیح تفاوت دارد. به اعداد اعشاری، اعداد گویا هم گفته می شود. عنوانی که برای اعداد اعشاری استفاده می شود Float نام دارد که برای تعریف یک عدد شناور باید از این نوع داده در پایتون استفاده کنیم.

• رشته ها و متون

این نوع از داده های اصلی در پایتون شامل کلیه ی حروف الفبا، انواع کلمات همراه با عدد می باشد. روش نمایش رشته ها و متون در پایتون به این صورت است که باید مابین 2 دابل کوتیشن قرار بگیرد. مانند : “برنامه نویسی پایتون” عنوانی که برای رشته ها در زبان پایتون مورد استفاده قرار می گیرد String نام دارد که برای نمایش انواع داده ی متنی باید از این نوع داده استفاده کنیم.

• درست یا غلط بودن

نوع داده چهارم از داده های اصلی در پایتون، مربوط به درست با غلط بودن است که برای مقایسه کردن عبارات و شرط های منطقی مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع داده می تواند دو مقدار بگیرد که شامل درست بودن یا True و غلط بودن یا False. عنوانی که برای داده های منطقی مورد استفاده قرار می گیرد Boolean یا Bool می باشد که برای بررسی شرط های منطقی در پایتون باید از این نوع داده استفاده کنیم.

انواع ساختارهای داده فرعی در پایتون

ساختارهای داده فرعی را می توانیم به دو دسته تقسیم کنیم:

1. ساختار داده فرعی داخلی
2. ساختار داده فرعی خارجی

تفاوت اصلی ساختار داده های اصلی و فرعی این است که در داده های فرعی نه تنها می توانیم مقادیر را ذخیره کنیم بلکه می توان مجموعه ای از مقادیر را در شکل های مختلفی ذخیره کنیم. در این بخش می خواهیم انواع ساختارهای داده فرعی داخلی را معرفی کنیم.

• لیست ها

لیست را می توان چند منظوره ترین نوع از ساختارهای داده در زبان پایتون تعریف کرد. لیست را باید به صورت یک فهرست از عناصر جدا از هم با علامت کاما ‘ ‘ و در داخل براکت [] تعریف کرد. عناصر موجود در لیست می توانند به صورت همگن و یا ناهمگن باشند.

نوع داده لیست با عبارت و عنوان List معرفی می شود.

• تاپل ها

تاپل ها را می‌توان مشابه لیست‌ها دانست ولی داده‌ها در تاپل بدون تغییر خواهند بود. و البته برعکس لیست‌ها، داده‌ها را در نوع داده تاپل باید به جای به راکت در داخل پرانتز () قرار داد. نوع داده تاپل با عنوان Tuple معرفی می‌شود.

تغییر ناپذیر بودن تاپل به چه معناست؟

تغییرناپذیر بودن نوع داده تاپل به این معناست که وقتی متغیری در یک تاپل تعریف می‌شود، عملیات حذف، تخصیص مجدد و ویرایش را نمی‌توان انجام داد. با این قابلیت می‌توانیم تضمین کنیم که مقادیری که به شکل تاپل تعریف می‌شوند دستکاری نخواهند شد که البته استفاده‌های خاص خود را در برنامه نویسی خواهند داشت.

• دیکشنری

نوع داده دیکشنری از جفت‌های مقدار و کلید تشکیل داده می‌شود. عنوان کلید می‌تواند یک مورد و آیتم را مشخص کند و عنوان مقدار هم می‌تواند ارزش آن آیتم را ذخیره کند. عبارت دو نقطه: کلید و مقدار را از هم جدا می‌کند. آیتم‌ها را با کاما ‘ ‘ از هم جدا می‌کنیم و کل آیتم‌ها هم باید در داخل آکولاد {} قرار بگیرد. برای نوع داده دیکشنری باید عنوان dictionary را در زبان پایتون بکار ببریم.

• مجموعه ها

مجموعه را می توان دنباله ای نامرتب از آیتم های خاص و منحصر بفرد تعریف کرد. مجموعه ها را هم مانند لیست ها می توان تغییر داد و در داخل یک براکت [] قرار داد ولی هیچ دو مقدار از عناصر داخل مجموعه ها نمی توانند یکسان باشند.

• آموزش برنامه نویسی پایتون پیشرفته — ترفندهای پایتون — کلیک کنید

ساختار داده های فرعی خارجی در پایتون

در ادامه بحث ساختمان داده و الگوریتم پایتون به معرفی ساختار داده‌های فرعی خارجی که در بالا ذکر کردیم توسط کاربر تعریف می‌شوند می‌پردازیم. به این نوع از داده‌ها user defined هم گفته می‌شود.

• پشته

پشته‌ها را می‌توان از نوع ساختارهای داده خطی برشمرد. شیوه ذخیره عناصر در پشته بر اساس Last-In/First-Out (LIFO) یا First-In/Last-Out (FILO) می‌باشد. در پشته‌ها همراه با افزودن یک آیتم جدید در انتها، یک آیتم از همان انتها حذف خواهد شد. نوع داده پشته با عنوان Stack در زبان پایتون نمایش داده می‌شود.

• صف

صف‌ها مانند پشته‌ها از نوع ساختار داده خطی است و عناصر داخل این نوع داده بر اساس First-In/ First-Out (FIFO) ذخیره می‌شوند. در یک نوع داده صف عناصری که اخیراً اضافه شده‌اند ابتدا حذف می‌شوند. نوع داده صف را با عنوان queue نمایش می‌دهیم.

• درخت

درخت‌ها از نوع ساختار داده غیر خطی هستند و از گره‌ها تشکیل شده‌اند و با edge ها هم متصل می‌شوند. در درخت یک گره ابتدا به عنوان گره ریشه در نظر می‌گیرند و به غیر از ریشه درخت، هر گره دیگر با یک گره والد ارتباط دارد و هر گره هم می‌تواند به تعداد مشخصی گره‌ی فرزند داشته باشد. نوع داده‌ی درخت را با عنوان tree در زبان پایتون نمایش می‌دهیم.

• لیست پیوندی

لیست پیوندی از نوع ساختار داده خطی است. لیست پیوندی را می‌توانیم مجموعه‌ای از آیتم‌هایی از داده تعریف کرد که به وسیله پیوندها به هم متصل می‌شوند. به این پیونده‌ها اصطلاحاً لینک link می گویند. هر آیتم در لیست پیوندی با استفاده از اشاره گر به آیتم‌های دیگر متصل می‌شود.

کلام آخر درباره ساختمان داده و الگوریتم پایتون

در این مقاله در مورد ساختمان داده و الگوریتم پایتون و انواع ساختارهای داده اصلی و فرعی صحبت کردیم تا درباره نوع داده‌های مورد استفاده در زبان برنامه نویسی پایتون بیشتر بدانیم. برای اینکه بخواهیم با زبان برنامه نویسی محبوب پایتون و روش‌های کدنویسی آن بیشتر آشنا شویم می‌توانیم با آموزش‌های کاربردی فرادرس شروع به یادگیری کنیم تا در بازار کار پر تقاضای زبان پایتون مشغول به کار شویم. در پایان مایلم آموزش طراحی الگوریتم به همراه مثال های عملی فرادرس را به شما معرفی کنم.

• آموزش طراحی الگوریتم به همراه حل مثال های عملی — کلیک کنید