مقدمـة الـى هياكل البيانات Data Structure

مقدمـة الـى Data Structure

ما هي هياكل البيانات Data Structure ...؟ ولماذا ندرس هياكل البيانات الــ Data Structure..؟!! وماهي أشهر أنواع هياكل البيانات الــ Data Structure ..؟! وفيما تستخدم هياكل البيانات الــ Data Structure...!! وما أهيمة هياكل البيانات Data Structure في البرمجة ..؟!!

تُعرف البيانات Data بأنها عن قيم متنوعة من الأرقام والرموز والحروف المختلفة التي تمثل المعلومات. في هذا المقال سنتحدث عن مفهوم هياكل البيانات الـ Data Structure في وأهميتها في البرمجة لنبدأ..

في هذا المقال سنتعرف على :

• تعريف هياكل البيانات Data Structure.
• لماذا ندرس هياكل البيانات الـ Data Structure؟
• أنواع هياكل البيانات Type of Data Structure.
• الـ Collections و هياكل البيانات Data Structure.
• تصنيف أنواع هياكل البيانات Data Structure.
• فيما تستخدم هياكل البيانات الـ Data Structure ؟
• أهمية هياكل البيانات Data Structure في البرمجة .

ما هو تعريف هياكل البيانات Data Structure؟

تعتبر هياكل البيانات (Data Structures) أحد العناصر الأساسية في علوم الحاسوب وتكنولوجيا المعلومات، حيث تقوم بتنظيم وتخزين البيانات بطريقة منظمة وفعالة، وتوفر وسائل للوصول ومعالجة البيانات بسرعة وكفاءة. تعتبر الهياكل البيانية Data Structures عن طريقة تنظيم البيانات في الذاكرة، حيث يتم تحديد نوعية الهيكل البياني بناء على طبيعة البيانات التي يتم التعامل معها ومتطلبات البرنامج الذي يتم تطويره.

هياكل البيانات Data Structures هي طريقة لمعالجة مجموعة من عناصر البيانات بواسطة عمليات محددة لتوفر أسهل الطُرق لتخزين وتنفيذ الإجراءات المختلفة على البيانات في الذاكرة. فهي طريقة خاصة لتنظيم البيانات في الذاكرة بحيث يمكن استخدامها بشكل فعال.

والفائدة الرئيسية من هياكل البيانات الـ Data Structures هي تقليل التعقيد Complexities (مساحة التخزين Mommy space وزمن التنفيذ Execution time ) للمهام المختلفة. هذا لأن هياكل البيانات هي منظمات للبيانات في الذاكرة . ( لمعرفة المزيد عن التعقيد Complexities قم بزيارة المقالات أداء الخوارزميات  و Big-O).

لماذا ندرس هياكل البيانات الـ Data Structure؟

إن المشاكل التقنية تتطور مع مرور الوقت فقد تحتاج أجهزة أكثر قوة وتطبيقات أكثر تعقيد ولأن حل المشاكل التقنية يتطلب الكفاءة أي أن يكون الحل فعال ضمن حدود الموارد المتاحة فهياكل البيانات Data Structure توفر طُرق سلسلة لتنظيم البيانات في الذاكرة و لتنفيذ العمليات عليها.

وبما أن هياكل البيانات الـ Data Structure تعمل على تنظيم البيانات في الذكره فهي تتطلب مساحة التخزين Mommy Space وزمن التنفيذ Execution Time فهي تؤثر على بناء الخوارزمية. فاختيار الـ Data Structure غير مناسب يؤدي إلى خوارزمية عالية التعقيد والعكس صحيح فالإختيار الجيد للـ Data Structure يؤدي إلى خوارزمية أسهل ومناسبة أكثر.

وعندما نريد اختيار الـ Data Structure المناسبة علينا اولاً القيام الاهتمام بتحليل المشكلة، كم تستهلك هذه المشكلة من وقت التشغيل والذاكرة وما هو ترتيب العمليات لحل هذه المشكلة، بالتالي :

• لاختيار الجيد للـ Data Structure يعطي برامج أكثر كفاءة.
• والاختيار السيء للـ Data Structure يعطي برامج ضعيف.

أنواع هياكل البيانات Type of Data Structure

توجد العديد من هياكل البيانات الـ Data Structure التي يمكن استخدامها في تطوير البرمجيات، وتختلف بينها حسب طبيعة البيانات ومتطلبات البرنامج المطلوب تطويره. ومن بين هياكل البيانات الأكثر استخدامًا في تطوير البرمجيات، يمكن ذكر الآتي:

• المصفوفات (Arrays): تعتبر المصفوفات هيكل بيانات بسيط ولكنها شائعة الاستخدام في تطوير البرمجيات، حيث تتيح تخزين مجموعة من العناصر ذات نفس النوع في مكان واحد في الذاكرة، ويتم الوصول إليها عن طريق الفهرس (Index) الذي يعبر عن موقع العنصر في المصفوفة.(المزيد عن المصفوفات في مقال عن المصفوفات في لغة سي شارب)
• القوائم المرتبطة (Linked Lists): تعتبر القوائم المرتبطة من الهياكل البيانية الشائعة الاستخدام في تطوير البرمجيات، حيث تتكون من عدد من العناصر المرتبطة ببعضها البعض وكل عنصر يحتوي على مؤشر (Pointer) يشير إلى العنصر التالي في القائمة. وتتيح هذه الهيكلة تحريك عبر العناصر بشكل سريع وفعال. (المزيد في مقال عن القوائم المرتبطة Linked-list )
• الأشجار (Trees): تستخدم الأشجار في تنظيم البيانات في شكل هرمي، يتكون من عدة مستويات، حيث يوجد عقدة (Node) تحتوي على قيمة ومؤشرات إلى عقدة أخرى. وتسمح الأشجار بتنظيم البيانات بشكل فعال وتسهيل عمليات البحث والتصنيف.(المزيد في مقالات هياكل البيانات الشجرية و الأشجار الثنائية)
• الجداول (Tables): تعتبر الجداول من الهياكل البيانية الشائعة الاستخدام في تطوير البرمجيات، حيث تتكون من صفوف (Rows) وأعمدة (Columns)، وتستخدم بشكل واسع في تخزين البيانات والمعلومات في قواعد البيانات.
• القوائم الدائرية (Circular Lists): تشبه القوائم المرتبطة Linked Lists، ولكنها تتميز بأن العنصر الأخير في القائمة يشير إلى العنصر الأول في القائمة، مما يسمح بتحريك عبر العناصر بشكل دائري.
• المكدسات (Stacks): تستخدم Stacks لتخزين سلسلة من العناصر، والتي يتم الوصول إليها عن طريق العنصر الأخير الذي تم إدخاله، وتستخدم على نطاق واسع في تنفيذ العمليات المتكررة وإدارة الذاكرة. (المزيد في مقال عن Stack)
• قوائم الإنتظار (Queues): تستخدم قوائم الانتظار لتخزين سلسلة من العناصر، والتي يتم الوصول إليها عن طريق الطرف الأول الذي تم إدخاله، وتستخدم على نطاق واسع في إدارة العمليات المتتالية ومناطق الانتظار في البرامج. (المزيد في مقال عن قوائم الإنتظار Queue)

هذه هي بعض هياكل البيانات الأكثر استخدامًا في تطوير البرمجيات، ويمكن استخدام الهياكل المناسبة لتلبية احتياجات البرنامج والبيانات المطلوب تخزينها ومعالجتها.

الـ Collections وهياكل البيانات Data Structure

عند تعريف نوع محدد من أنواع الـ Data Structure يظهر لنا مصطلح الـ Collections فما هو؟ الـ Collections هو وصف لنوع محدد من الـ Data Structure ووصف للطريقة التي يتبعها هذا النوع في تخزين ومعالجة البيانات في الذاكرة.

حيث أن كل نوع من أنواع هياكل البيانات له عملياته الخاصة التي تصف طريقته في التعامل مع البيانات، مثل عمليات إضافة البيانات الى الذاكرة Add وحذفها Remove وتحديثها Update. بهذا تكون الـ Collections وصف لسلوك محدد لمجموعة العلميات لنوع معين من أنواع هياكل البيانات الـ Data Structure

وبما أن لكل نوع من أنواع هياكل البيانات الـ Data Structure عملياته الخاصة به والتي قد تتشابه مع أنواع هياكل البيانات الأخرى، ولكنها بالتأكيد تختلف عنها في طريقة التنفيذ . لهذا يعتبر معرفة طبيعة عمل العمليات الخاصة بكل نوع من أنواع هياكل البيانات مهم لاختيار طريقة تنفيذ ملائمة للمشكلة المراد حلها. ومن أشهر العمليات العمليات المشتركة بين أنواع هياكل البيانات Data Structure التالي:

Add	إضافة عنصرًا جديدًا.
Insert	ضافة عنصرًا جديدًا في مكان محدد.
Remove	إزالة عنصر معين.
Clear	إزالة جميع العناصر.
Contain	البحث عن عنصر معين وتحديد ما إذا كان موجود أو لا.
IndexOf	إرجاع ترتيب العنصر الـ Index لعنصر معين.

تصنيف أنواع هياكل البيانات Data Structure.

يمكن تصنيف أنواع هياكل البيانات الـ Data Structure إلى فئات بناء على ترتيب البيانات او طريقة الوصول للبيانات، كما يتضح معنى فيما يلي:

أنواع هياكل البيانات الـ Data Structure مصنفة حسب ترتيب البيانات :

خـطيـة Linear :

وهي قائمة العناصر مرتبة بطريقة تتبع بعضها البعض بالترتيب الخطي (الترتيب حسب الموضع أولاً ، ثانيًا ، ... إلخ) أي يتم ترتيب العناصر في بُعد واحد ، يُعرف أيضًا بالبعد الخطي ومن أشهر الأمثلة عليها : Array المصفوفة ، Linked List القوائم المترابطة ، Stack ، Queue.

غير خـطيـة Nonlinear :

قائمة العناصر التي ليس لها ترتيب موضعي أي يتم ترتيب العناصر فيها بعدة أبعاد منها :

• بعد واحد لعدة أبعاد One to many.
• عدة أبعاد لبعد واحد Many to one.
• عدة أبعاد لعدة أبعاد Many to many.

ومن الأمثلة عليها : الجداول Tables و المخطط شجري Tree والرسوم البيانية Graphs.

أنواع هياكل البيانات الـ Data Structure مصنفة حسب طريقة الوصول للبيانات:

الوصول المباشر Direct Access ومن أمثلتها:

• Array المصفوفة : مجموعة من العناصر من نفس نوع البيانات و المخزنة في مواقع ذاكرة متجاورة التي يتم الوصول إليها مباشرة عبر الفهرسة indexing حيث يكون لكل عنصر رقم Index يشير الى ترتيب العنصر في المصفوفة.
• النصوص String : مجموعة من الأحرف يمكن الوصول إليها مباشرة عبر Index.
• سجل البيانات Struct structure or record : نوع بيانات مركب يحتوي على بيانات قد تتكون من العديد من أنواع البيانات المختلفة. أي هي المجموعة التي تكون عناصرها مكونة من سجل من أنواع البيانات مثال على سبيل المثال: سجل الطالب (num: int, name: string, avg: float).

الوصول التسلسلي Sequential Access

قوائم الترتيب التسلسلي : وهي القوائم التي تخزن عناصرها بترتيب تسلسلي (أي قائمة خطية). دون أن تحدد الحجم وتتم الإشارة إلى العناصر من خلال مواقعها ( أي لا يمكن الوصول إليها بالفهرسة) ومن أمثلتها Stacks , Queue, Hash Table.

Group Collection

وهي أنواع هياكل بيانات غير خطية مكونة من عناصر غير مرتبة . ومن أمثلتها : Sets , graph, Network.

فيما تستخدم هياكل البيانات الـ Data Structure ؟

تستخدم هياكل البيانات (Data Structure) في تطوير البرمجيات لتنظيم وتخزين البيانات بشكل منظم وفعال، وتسهيل عمليات البحث والتصنيف والإدخال والحذف والتعديل على البيانات. وتساعد هياكل البيانات على تحسين أداء البرامج وخفض استهلاك الذاكرة وزمن التنفيذ، مما يؤدي إلى تحسين أداء البرامج بشكل عام.

على سبيل المثال، يمكن استخدام المصفوفات Arrays لتخزين مجموعة من الأرقام والبيانات في مكان واحد في الذاكرة، ويتم الوصول إليها عن طريق الفهرس Index الذي يعبر عن موقع العنصر في المصفوفة، وذلك يجعل عملية البحث والتحديث على البيانات سهلة وفعالة.

كما يمكن استخدام القوائم المرتبطة Linked Lists لتخزين بيانات متعددة في شكل قائمة مرتبطة ببعضها البعض، ويمكن الوصول إلى البيانات بشكل متتابع بسهولة، مما يجعلها مناسبة للعمليات التي تتطلب إضافة وحذف البيانات بشكل متكرر.

وتستخدم الأشجار Trees في تنظيم البيانات بشكل هرمي، وتتيح الوصول إلى البيانات بشكل فعال وسريع. وتستخدم الجداول في تخزين البيانات في قواعد البيانات، وتسمح بإجراء عمليات البحث والتصفية والتحديث بشكل فعال.

وتستخدم المكدسات Stacks و قوائم الإنتظارQueues  في إدارة الذاكرة والعمليات المتكررة والمتوالية، وتوفر طريقة فعالة لتنظيم وتخزين البيانات في الذاكرة.

بشكل عام، تستخدم هياكل البيانات الـ Data Structure في تطوير البرمجيات مجالات مختلفة مثل:

• أنظمة التشغيل Operating systems .
• المحاكاة Simulation.
• البلوكشين Blockchain.
• تصميم الكمبيوتر Computer Design.
• معالجة الصورة Image Processing.
• الرسومات Graphic.

تستخدم الهياكل البيانات الـ Data Structure في البرمجة لعدة أسباب، من أهمها تحسين كفاءة البرامج وزيادة سرعة الوصول إلى البيانات، وتحسين أداء البرامج في تحليل البيانات والإحصاءات، وتسهيل عملية البحث والتصنيف والتصفية للبيانات

أهمية هياكل البيانات Data Structure في البرمجة

هياكل البيانات (Data Structures) تعتبر أحد العناصر الأساسية في علم الحوسبة وبرمجة الحاسوب. لها أهمية كبيرة في تطوير البرامج وحل المشاكل البرمجية. فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل هياكل البيانات مهمة جدًا في البرمجة:

• تنظيم البيانات: تساعد هياكل البيانات في تنظيم البيانات بطريقة مرتبة وفعالة. فهي توفر طرقًا محددة لتخزين وترتيب البيانات بحسب الاحتياجات. وبفضل هذا التنظيم، يمكن الوصول إلى البيانات بشكل سريع وفعال، مما يساعد في تحسين أداء البرامج.
• البحث والإدخال والحذف والتحديث: توفر هياكل البيانات طرقًا فعالة للبحث عن بيانات محددة وإدخال بيانات جديدة وحذف بيانات غير مرغوب فيها وتحديث البيانات الموجودة. بفضل هذه العمليات، يمكن القيام بمهام معينة بشكل فعال وسريع دون إهدار الكثير من الوقت والموارد.
• كفاءة الموارد: تساهم هياكل البيانات في تحسين استخدام الموارد المتاحة في النظام الحاسوبي. فباستخدام الهياكل البيانات المناسبة، يمكن تقليل استهلاك الموارد مثل الذاكرة والوقت اللازم لتنفيذ العمليات، مما يعزز كفاءة البرامج ويساهم في تحسين أدائها.
• التوافق وإعادة الاستخدام: تعتبر هياكل البيانات أدوات عامة وقابلة لإعادة الاستخدام في البرمجة. عندما تتعلم كيفية استخدام هيكل بيانات معين، يمكنك استخدامه في حل مجموعة متنوعة من المشاكل والتطبيقات. وبهذه الطريقة، يمكنك توفير الوقت والجهد في تطوير برامج جديدة من الصفر.
• تحسين الأداء: باستخدام الهياكل البيانات المناسبة، يمكن تحسين أداء البرامج بشكل كبير. فعندما تستخدم هيكل بيانات فعال، يمكن تقليل التكلفة الزمنية والمساحية للعمليات، مما يؤدي إلى زيادة سرعة واستجابة البرنامج.

إن فهم هياكل البيانات واختيار الهيكل المناسب يعد أمرًا بالغ الأهمية لتطوير برامج فعالة وموثوقة. إذا تم استخدام هياكل البيانات بشكل صحيح، يمكن أن تسهم في تحسين تنظيم البيانات، وزيادة كفاءة البرامج، وتوفير الموارد، وتسهيل عمليات البحث والإدخال والحذف والتحديث.

يمكن القول إن الهياكل البيانات Data Structure هي أحد العناصر الأساسية في علوم الحاسوب وتكنولوجيا المعلومات، وتعتبر ضرورية لتحسين كفاءة البرامج وزيادة سرعة الوصول إلى البيانات وتحسين أداء البرامج في تحليل البيانات والإحصاءات، وتسهيل عمليات البحث والتصنيف والتصفية للبيانات. وبالتالي، ينبغي على المبرمجين والمهندسين الحرص على فهم واستخدام هياكل البيانات Data Structure بشكل جيد لتحسين كفاءة البرمجيات وتحسين أدائها.