O que são estruturas de dados?
Uma estrutura de dados é uma solução para organizar informações, permitindo tanto o armazenamento quanto a recuperação de itens. Elas podem ser classificadas como abstratas ou concretas.
Estruturas de dados abstratas são conceitos ou modelos que descrevem como os dados podem ser organizados e manipulados.
Estruturas de dados concretas são as implementações reais dessas abstrações, que determinam a eficiência e a forma de armazenamento e manipulação dos dados.
Estruturas de dados básicas
Existem diversas estruturas de dados, cada uma com um propósito específico e ideal para diferentes cenários de implementação. Neste post, vou apresentar cinco delas: Arrays, Listas Encadeadas (Linked Lists), Filas, Pilhas e Tabelas Hash.
Arrays
Um array é uma estrutura de dados linear que armazena e organiza elementos em posições sequenciais. Ao declarar um array, é necessário especificar o número de elementos que ele armazenará, pois o array aloca um bloco contínuo de memória para armazenar esses dados.
Dessa forma, é possivel recuperar um elemento pelo seu índice numérico, que indica a posição do elemento dentro do array. Os índices geralmente começam em zero, o que significa que o primeiro elemento está no índice 0, o segundo no índice 1, e assim por diante.
Quando usar:
- Se você precisa de acesso rápido aos elementos por índice (tempo constante O(1)).
- Quando o tamanho dos dados é conhecido e fixo ou não mudará com frequência.
- Para armazenar uma coleção de elementos homogêneos (como inteiros, strings).
Vantagens:
- Acesso direto aos elementos e eficiente em termos de memória se o tamanho for fixo.
Desvantagens:
- Redimensionar arrays dinâmicos pode ser custoso. Operações de inserção e remoção no início ou no meio do array são lentas (O(n)).
Listas Encadeadas (Linked Lists)
Uma lista encadeada armazena uma sequência de elementos, onde cada elemento é um nó que contém dois componentes principais: seu dado (informação que o nó armazena) e um ponteiro (referência ao próximo nó na lista. Se for o último nó, essa referência será nula, indicando o final da lista.).
O primeiro elemento da lista encadeada é chamado de cabeça e a lista é acessada começando por este nó.
Além do tipo de lista encadeada explicada acima, existe a lista duplamente encadeada, nela além da o ponteiro que aponta para o nó seguinte, existe também a referência ao nó anterior.
Quando usar:
- Quando o tamanho dos dados é dinâmico e você precisa de uma estrutura que possa crescer ou diminuir com frequência.
- Se as inserções e remoções no início ou no meio da lista são comuns.
Vantagens:
- Inserção e remoção são eficientes (O(1)) nas extremidades.
Desvantagens:
- Acesso aos elementos é mais lento (O(n)) em comparação com arrays, pois você precisa percorrer os nós.
Filas
A ideia dessa estrutura de dados é bem intuitiva. Ela segue o princípio FIFO (First In, First Out), ou seja, o primeiro elemento inserido na fila será o primeiro a ser removido, como em uma fila de supermercado.
Nela, o acesso aos elementos é restrito as duas extremidades, você só pode acessar o elemento da frente (a cabeça) para remoção ou no final (a cauda) para inserção.
Quando usar:
- Quando você precisa processar os dados em ordem de chegada.
- Ideal para sistemas de espera, processamento de tarefas assíncronas ou buffer de dados.
Vantagens:
- Operações de inserção e remoção são rápidas (O(1)) nas extremidades.
Desvantagens:
- Acesso direto aos elementos intermediários é raro e custoso (O(n)).
Pilhas
Uma pilha tem o comportamento semelhante a uma pilha de pratos: o último prato que você coloca no topo é o primeiro que você retira. Essa estrutura de dados linear pode seguir os princípios LIFO (Last In First Out) ou FILO (First In Last Out).
Nela o acesso aos dados também é restrito, você só pode acessar os elementos através de uma das duas extremidades (cabeça ou calda), a depender do princípio aplicado (LIFO ou FILO). Na pilha são executadas três operações básicas:
- Push: Inserir um elemento no topo da pilha.
- Pop: Remover e retornar o elemento do topo da pilha.
- Peek (ou Top): Verificar o elemento no topo da pilha sem o remover.
Quando usar:
- Para problemas onde a ordem inversa dos elementos importa.
- Usado em algoritmos de recursão, backtracking, gerenciamento de chamadas de função (call stack).
Vantagens:
- Inserções e remoções no topo da pilha são rápidas (O(1)).
Desvantagens:
- Sem acesso direto a elementos que não estão no topo.
Tabelas Hash
Nessa estrutura de dados, para cada elemento é associado uma chave. Seu funcionamento se baseia em uma função hash, que é responsável por transformar uma chave em um índice, indicando a posição na tabela onde o valor associado àquela chave será armazenado. Entretanto, a função hash pode gerar o mesmo índice para diferentes chaves, causando uma colisão. É possível tratar essa situação com duas abordagens comuns, o encadeamento e o endereçamento aberto. No encadeamento, cada posição da tabela contém uma lista de pares chave-valor, e se uma colisão ocorrer, o novo par é adicionado a essa lista. No endereçamento aberto, a tabela procura a próxima posição livre para armazenar o novo par, seguindo uma sequência predefinida.
Quando usar:
- Se você precisa de acesso rápido a elementos por chave (tempo médio O(1) para buscas, inserções e deleções).
- Ideal para armazenamento de grandes conjuntos de dados quando o acesso por chave é frequente, como dicionários ou caches.
Vantagens:
- Busca extremamente eficiente quando a função hash é bem definida.
Desvantagens:
- Colisões na tabela hash podem aumentar o tempo de operação. - Pode consumir mais memória devido ao overhead de armazenamento da função hash.
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