Cấu Trúc Dữ Liệu: 8 Cấu Trúc Phổ Biến Nhất Và Ứng Dụng

Cấu trúc dữ liệu là một trong những khái niệm căn bản và quan trọng mà mỗi bạn đang học về lập trình đều phải nắm rõ. Trong bài viết này, hãy cùng Rikkei Academy tìm hiểu tất tần tật từ khái niệm, phân loại, các thao tác cơ bản đến các lưu ý khi sử dụng cấu trúc dữ liệu nhé!

Cấu trúc dữ liệu là gì?

Cấu trúc dữ liệu (data structure) là cách tổ chức và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ máy tính một cách có hệ thống để dễ dàng truy xuất và thực hiện các thao tác trên dữ liệu đó. Cấu trúc giúp định nghĩa mối quan hệ giữa các phần tử dữ liệu và cung cấp các phương thức để thao tác trên chúng.

Các cấu trúc dữ liệu phổ biến bao gồm các loại như mảng, danh sách liên kết, cây, đồ thị…Mỗi loại data structure có những đặc điểm riêng. Vì vậy việc hiểu và chọn cấu trúc phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả và hiệu suất của chương trình.

Phân loại cấu trúc dữ liệu là gì?

Cấu trúc dữ liệu được chia làm 2 loại chính:

Cau Truc Du Lieu Rikkei Academy — Cấu trúc dữ liệu được chia làm 2 loại là tuyến tính và phi tuyến tính

Cấu trúc dữ liệu Linear

Cấu trúc dữ liệu tuyến tính là cấu trúc trong đó các phần tử dữ liệu được sắp xếp theo thứ tự tuần tự hoặc tuyến tính và mỗi phần tử được liên kết với các phần tử kế tiếp và trước đó của nó. Ví dụ về cấu trúc tuyến tính: mảng, ngăn xếp (stack), hàng đợi (queue), danh sách liên kết (linked list),…Trong cấu trúc dữ liệu Linear, còn được chia ra làm các loại gồm:

Cấu trúc dữ liệu tĩnh (static): Cấu trúc dữ liệu tĩnh có kích thước bộ nhớ cố định, nghĩa là số lượng phần tử của nó được xác định trước và không thể thay đổi trong quá trình chạy chương trình. Do đó, truy cập các phần tử trong một cấu trúc tĩnh dễ dàng hơn.
Cấu trúc dữ liệu động (dynamic): Trong cấu trúc dữ liệu động, kích thước không cố định. Nó có thể được cập nhật ngẫu nhiên trong thời gian chạy và có thể được coi là giúp tối ưu hóa bộ nhớ của mã.

Cấu trúc dữ liệu tuyến tính thường được sử dụng trong các tình huống mà các phần tử cần được xếp theo thứ tự nhất định và có thể được truy cập bằng chỉ số hoặc con trỏ. Ví dụ như lưu trữ một danh sách sinh viên và có thể truy cập bằng số thứ tự. Cấu trúc dữ liệu Linear cũng được sử dụng khi cần sắp xếp, tìm kiếm, thêm hoặc xóa phần tử một cách hiệu quả.

Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính (Nonlinear)

Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính không có cấu trúc phân cấp rõ ràng, nghĩa là các phần tử có thể có nhiều phần tử con và/hoặc cha. Ví dụ về cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính bao gồm cây, đồ thị,….Cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính thường được sử dụng khi các đối tượng trong chương trình có mối quan hệ phức tạp với nhau hoặc khi chúng có cấu trúc không đều. Ví dụ, cây được sử dụng để lưu trữ dữ liệu có thứ tự như các cây phân nhánh. Ngoài ra, cấu trúc dữ liệu nonlinear cũng được sử dụng trong các thuật toán tìm kiếm, định tuyến và tối ưu hóa mạng

Lý do cần sử dụng cấu trúc dữ liệu là gì?

Việc trình bày dữ liệu một cách dễ hiểu là rất quan trọng để lập trình viên có thể thực hiện thao tác một cách hiệu quả. Cấu trúc dữ liệu giúp tổ chức, truy xuất, quản lý và lưu trữ dữ dễ dàng hơn. Một số lý

Cải thiện hiệu suất: Bằng cách tối ưu hóa thời gian và bộ nhớ. Khi sử dụng cấu trúc phù hợp, chúng ta có thể giảm thiểu thời gian và bộ nhớ cần thiết cho chương trình.
Tăng tính linh hoạt: Sử dụng các cấu trúc dữ liệu phù hợp có thể giúp cho chương trình trở nên linh hoạt hơn trong việc lưu trữ và quản lý dữ liệu.
Dễ bảo trì: Các cấu trúc có thể được sửa đổi và cập nhật một cách dễ dàng mà không ảnh hưởng đến các phần khác của chương trình.
Tính mở rộng: Khi yêu cầu của chương trình thay đổi, các cấu trúc dữ liệu có thể được thay đổi hoặc thêm mới để đáp ứng các yêu cầu mới.

Các cấu trúc dữ liệu phổ biến là gì?

Dưới đây là 8 cấu trúc phổ biến nhất trong lập trình:

Mảng (array)

Mảng là một cấu trúc dữ liệu linear cho phép lưu trữ nhiều giá trị của cùng kiểu dữ liệu trong một biến. Thay vì cần tạo nhiều biến riêng lẻ để lưu trữ các giá trị đó, ta có thể sử dụng một mảng để lưu trữ chúng. Mảng được biểu diễn dưới dạng một danh sách các giá trị, mỗi giá trị có một vị trí riêng được gọi là chỉ số (index).

Mảng được sử dụng để lưu trữ các phần tử có độ dài cố định và không thay đổi và khi cần truy cập nhanh đến các phần tử thông qua chỉ số.

Mảng có thể được phân thành các loại khác nhau:

Mảng một chiều
Mảng đa chiều (gồm mảng 2 chiều)

Một số ứng dụng của mảng bao gồm:

Lưu trữ một danh sách các phần tử dữ liệu thuộc cùng một kiểu dữ liệu
Hỗ trợ lưu trữ phụ cho các cấu trúc khác
Lưu trữ các phần tử dữ liệu của một cây nhị phân (binary tree) có số lượng cố định
Lưu trữ ma trận bằng cách dùng bảng hai chiều

Tìm hiểu thêm về mảng trong Java.

Danh sách liên kết (Linked List)

Một danh sách liên kết (Linked List) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ một tập hợp các phần tử dữ liệu dưới dạng các nút (node). Mỗi nút chứa dữ liệu thực tế và các con trỏ (pointer) đến các nút khác trong danh sách.

Linked List được sử dụng khi cần lưu trữ các phần tử có độ dài khác nhau và cần thêm hoặc xóa phần tử một cách linh hoạt.

Danh sách liên kết (Linked List) có thể được phân thành các loại sau:

Danh sách liên kết đơn (Singly Linked List)
Danh sách liên kết kép (Doubly Linked List)
Danh sách liên kết vòng (Circular Linked List)

Một số ứng dụng của Linked List:

Giúp triển khai các cấu trúc khác như stack, queue, binary tree và graph có kích thước được xác định trước.
Giúp triển khai các chức năng quản lý bộ nhớ động (dynamic memory) của hệ điều hành
Hỗ trợ triển khai các pháp toán như đa thức
Thực hiện tuần tự vòng của tác vụ bằng Circular Linked List. Ví dụ, các vật phẩm trong một trò chơi được thiết lập xoay vòng và xuất hiện lại khi cần thiết
Sử dụng để triển khai các nút chuyển tiếp và quay lại trong trình duyệt web. Ví dụ, slideshow trong web.

Tìm hiểu thêm về list trong Java.

Hàng đợi (Queue)

Hàng đợi là một cấu trúc dữ liệu tuyến tính tương tự như Stack, trong đó phần tử đầu tiên được chèn vào đầu hàng đợi và phần tử cuối cùng được chèn vào cuối hàng đợi. Nó tương tự như một hàng đợi ở quầy bán vé, người đến trước sẽ được phục vụ trước.

Queue được sử dụng khi cần quản lý các hoạt động theo kiểu FIFO và xử lý các yêu cầu một cách tuần tự.

Hàng đợi (Queue) gồm các loại sau:

Hàng đợi đơn giản (Simple Queue)
Hàng đợi vòng (Circular Queue)
Hàng đợi ưu tiên (Priority Queue)
Hàng đợi kép (Dequeue)

Một số ứng dụng của Queue:

Dùng để tìm độ rộng của graph
Quản lý tác vụ trên hệ điều hành, công việc trên máy tính đảm bảo các tác vụ được thực thi theo thứ tự đúng.
Xử lý các sự kiện bất ngờ và ưu tiên cao trong ứng dụng người dùng

Ngăn xếp (Stack)

Một Stack là một cấu trúc dữ liệu tuyến tính mà theo nguyên tắc LIFO (Last In, First Out), tức là phần tử cuối cùng được thêm vào Stack sẽ được lấy ra đầu tiên. Các phép tính thêm và xóa phần tử trong Stack chỉ được thực hiện từ đầu của Stack, gọi là đỉnh của Stack.

Stack được sử dụng khi cần quản lý các hoạt động theo kiểu LIFO và xử lý các yêu cầu theo thứ tự ngược lại với hàng đợi.

Các hoạt động chính trong Stack như sau:

Push: Thao tác để chèn một phần tử mới vào Stack.
Pop: Thao tác để xóa hoặc xóa các phần tử từ Stack

Một số ứng dụng của Stack:

Dùng để xác định cú pháp biểu thức.
Dùng để đảo ngược một chuỗi (strings)
Tìm kiếm theo chiều sâu trong đồ thị (graph) và cây (tree)
sử dụng trong hệ thống UNDO và REDO trong các chức năng chỉnh sửa.

Cây (Tree)

Cây (tree) là một cấu trúc dữ liệu phi tuyến tính và một hệ thống phân cấp chứa một tập hợp các nút sao cho mỗi nút trong cây lưu trữ một giá trị và một danh sách các tham chiếu đến các nút khác (các “con”). Các nút được chia ra làm một nút trung tâm, các nút cấu trúc và các nút lá.

Tree được sử dụng khi cần tìm kiếm nhanh chóng các phần tử trong cây hoặc lưu trữ dữ liệu phân cấp.

Cây (Tree) có thể được phân thành các loại sau:

Cây nhị phân (Binary Tree)
Cây tìm kiếm nhị phân (Binary Search Tree)
Cây AVL (AVL Tree)
Cây B (B-Tree)

Một số ứng dụng của Tree:

Dùng để triển khai chỉ mục trong cơ sở dữ liệu
Giúp quá trình quét, phân tích cú pháp, tạo mã và đánh giá biểu thức toán học trong thiết kế trình biên dịch
Thực hiện cấu trúc phân cấp trong hệ thống máy tính như các thư mục hoặc tệp.
Làm thuật toán tìm đường trong ứng dụng AI, Robot hoặc Game.

Đồ thị (Graph)

Đồ thị (graph) là một cấu trúc dữ liệu bao gồm các điểm và các liên kết kết nối giữa chúng. Các điểm được gọi là đỉnh hoặc nút, và các liên kết được gọi là cạnh.

Graph được sử dụng để mô hình hóa các mối quan hệ giữa các thực thể trong thế giới thực. Ví dụ, một đồ thị có thể mô tả các mối quan hệ giữa các người dùng trên mạng xã hội,..

Đồ thị (graph) được chia làm rất nhiều loại, một số loại đồ thị gồm:

Đồ thị không hướng (Non-Directed Graph) và đồi thị có hướng (Directed Graph)
Đồ thị liên thông (Connected Graph) và đồ thị không liên thông (Disconnected Graph)
Đơn đồ thị (simple graph) và đa đồ thị (multigraph)

Đồ thị có nhiều ứng dụng khác nhau, một số ứng dụng gồm:

Biểu diễn các tuyến đường và mạng lưới trong các ứng dụng vận chuyển, du lịch
Hiển thị các tuyến đường trong GPS
Tạo bản đồ liên kết tài liệu của các trang web
Dùng trong các chuyển động robot và mạng nơ-ron

Bảng băm (Hash table)

Bảng băm (hash table) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ và truy xuất các giá trị với mỗi giá trị được liên kết với một khóa (key) duy nhất. Hash table hoạt động bằng cách sử dụng hàm băm (hash function) để tính toán giá trị băm (hash value) từ khóa và xác định vị trí lưu trữ tương ứng trong bảng băm.

Hash table được sử dụng khi cần truy cập nhanh chóng đến các phần tử thông qua khóa và không cần thứ tự lưu trữ.

Hàm băm phổ biến được sử dụng trong hashtable bao gồm phép chia (division method), phép nhân (multiplication method), và phép trộn (universal hashing).

Các ứng dụng của bảng băm bao gồm:

Lưu trữ dữ liệu cấu trúc phức tạp như linked list, cây nhị phân (binary tree) và bảng băm khác.
Lưu trữ các mật khẩu đã mã hóa.
Tối ưu hóa truy vấn cơ sở dữ liệu bằng cách tạo bản đồ các khóa.

Đống (Heap)

Đống (heap) là một cấu trúc dữ liệu được sử dụng để lưu trữ một tập hợp các phần tử sao cho các phần tử này luôn tuân theo một quy tắc sắp xếp được xác định trước. Cụ thể, trong một đống, mỗi phần tử có giá trị lớn hơn hoặc bằng (hoặc nhỏ hơn hoặc bằng) tất cả các phần tử con của nó.

Heap được sử dụng khi cần tìm kiếm phần tử lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) trong một tập hợp phần tử và các thao tác thêm, xóa phần tử thường xuyên.

Đống được chia thành hai loại chính:

Max heap
Min heap

Đống (heap) được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

Thuật toán heap sort: sắp xếp một tập hợp các phần tử bằng cách sử dụng đống.
Các thuật toán tìm kiếm, chẳng hạn như thuật toán tìm kiếm đường đi ngắn nhất trong đồ thị (Dijkstra’s algorithm) hoặc thuật toán tìm kiếm A*.
Các thuật toán xử lý dữ liệu,như thuật toán xóa trung bình (median) trong một tập hợp các số.
Các ứng dụng trong hệ thống quản lý bộ nhớ (memory management) của hệ điều hành.

Ưu điểm và nhược điểm của các cấu trúc dữ liệu là gì?

	Ưu điểm	Nhược điểm
Mảng (array)	Cho phép truy cập ngẫu nhiên và nhanh chóng đến các phần tử bằng chỉ số. Có khả năng lưu trữ các phần tử liên tiếp trong bộ nhớ, giúp tăng hiệu suất truy cập.	Kích thước mảng cố định, không thể thay đổi trong quá trình thực thi. Không thể chèn hoặc xóa phần tử giữa mảng mà không làm thay đổi vị trí của các phần tử khác.
Danh sách liên kết (Linked List)	Cho phép lưu trữ các phần tử có độ dài khác nhau. Có thể thêm hoặc xóa phần tử một cách linh hoạt. Khả năng mở rộng kích thước danh sách trong quá trình thực thi.	Không thể truy cập ngẫu nhiên đến các phần tử, mà phải duyệt danh sách từ đầu đến cuối. Tốc độ truy cập chậm hơn so với mảng.
Hàng đợi (Queue)	Giúp quản lý các hoạt động theo kiểu “First-In-First-Out” (FIFO) Dễ dàng triển khai và sử dụng trong các bài toán liên quan đến hàng đợi.	Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể chèn hoặc xóa phần tử ở giữa hàng đợi.
Ngăn xếp (Stack)	Giúp quản lý các hoạt động theo kiểu “Last-In-First-Out” (LIFO). Dễ dàng triển khai và sử dụng trong các bài toán liên quan đến ngăn xếp.	Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể chèn hoặc xóa phần tử ở giữa ngăn xếp.
Cây (Tree)	Cho phép tìm kiếm nhanh chóng các phần tử trong cây. Thao tác thêm, xóa và tìm kiếm các phần tử có độ phức tạp thấp. Có khả năng lưu trữ dữ liệu theo cấu trúc phân cấp.	Phức tạp hơn so với các cấu trúc khác. Đôi khi khó triển khai và sử dụng.
Đồ thị (Graph)	Cho phép mô hình hóa các mối quan hệ phức tạp giữa các đối tượng. Có khả năng thực hiện các thuật toán tìm kiếm, duyệt và phân tích đồ thị.	Phức tạp hơn so với các cấu trúc khác. Đôi khi khó triển khai và sử dụng.
Bảng băm (Hash table)	Cho phép truy cập nhanh chóng đến các phần tử thông qua khóa. Khả năng lưu trữ các phần tử không có thứ tự.	Có thể xảy ra hiện tượng xung đột khóa (collision). Không thể thực hiện các thao tác truy vấn phức tạp.
Đống (Heap)	Cho phép truy cập nhanh chóng đến phần tử lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) trong đống. Thao tác thêm và xóa phần tử có độ phức tạp thấp.	Không thể truy cập ngẫu nhiên các phần tử. Không thể tìm kiếm phần tử trong đống.

Các thao tác phổ biến trên cấu trúc dữ liệu

Các thao tác phổ biến bao gồm:

Thêm phần tử: Thêm một phần tử mới vào cấu trúc dữ liệu.
Xóa phần tử: Xóa một phần tử khỏi cấu trúc.
Truy cập phần tử: Truy cập một phần tử trong cấu trúc để đọc hoặc chỉnh sửa giá trị của nó.
Sắp xếp: Sắp xếp các phần tử theo một tiêu chí nào đó.
Tìm kiếm: Tìm kiếm một phần tử dựa trên giá trị của nó.
Thay đổi kích thước: Thay đổi kích thước của cấu trúc để đáp ứng nhu cầu lưu trữ dữ liệu.

Các thao tác này có thể được thực hiện trên các loại cấu trúc khác nhau bằng cách sử dụng các thuật toán và phương pháp phù hợp. Vì vậy, bạn sẽ cần tìm hiểu kỹ hơn về từng cấu trúc để sử dụng chúng một cách hiệu quả và tối ưu.

Các lưu ý khi sử dụng cấu trúc dữ liệu

Lựa chọn cấu trúc dữ liệu phù hợp. Không có cấu trúc nào phù hợp cho tất cả các vấn đề. Vì vậy, bạn cần chọn loại phù hợp cho từng vấn đề cụ thể.
Đảm bảo tính an toàn và bảo mật của dữ liệu. Điều này bao gồm bảo vệ dữ liệu khỏi các cuộc tấn công từ bên ngoài và bảo vệ dữ liệu khỏi các lỗi trong chương trình.
Tối ưu hóa cấu trúc dữ liệu. Đây là quá trình tìm kiếm cấu trúc phù hợp nhất để đáp ứng các yêu cầu của chương trình và đảm bảo hiệu năng và tốc độ thực thi tối đa.
Kiểm tra lỗi và xử lý ngoại lệ. Các cấu trúc có thể gặp phải các lỗi khác nhau như lỗi tràn bộ nhớ và lỗi truy xuất. Việc kiểm tra lỗi và xử lý ngoại lệ sẽ giúp đảm bảo tính ổn định và an toàn của chương trình.
Hiểu rõ các thao tác và cách sử dụng. Hiểu rõ các thao tác và cách sử dụng của các cấu trúc sẽ giúp bạn sử dụng chúng một cách hiệu quả và tránh các lỗi có thể phát sinh.
Bảo trì và cập nhật. Các cấu trúc có thể cần được bảo trì và cập nhật để đáp ứng các yêu cầu mới và giảm thiểu các lỗi và vấn đề.

Khác biệt giữa kiểu dữ liệu và cấu trúc dữ liệu là gì?

Kiểu dữ liệu xác định các loại dữ liệu có thể được sử dụng trong chương trình thì cấu trúc dữ liệu xác định các dữ liệu được tổ chức và quản lý trong bộ nhớ. Thực tế, còn khá nhiều bạn nhầm lẫn giữa hai khái niệm này. Bảng phân tích dưới đây sẽ làm rõ sự khác biệt:

Tính chất	Kiểu dữ liệu (Data Type)	Cấu trúc dữ liệu (Data Structure)
Mô tả	Khái niệm trừu tượng để mô tả kiểu dữ liệu của một giá trị
Loại dữ liệu	Là hình thức của biến có thể được gán giá trị. Nó xác định rằng biến cụ thể sẽ gán các giá trị của kiểu dữ liệu cụ thể	Là một tập hợp các loại dữ liệu khác nhau. Toàn bộ dữ liệu đó có thể được đại diện bằng một đối tượng và sử dụng trong toàn bộ chương trình.
Khả năng lưu	Có thể lưu trữ giá trị nhưng không lưu trữ dữ liệu	Lưu trữ nhiều loại dữ liệu trong một đối tượng
Triển khai	Rriển khai trừu tượng (abstract implementation)	Triển khai cụ thể (concrete implementation)
Độ phức tạp của thuật toán	Không có độ phức tạp của thuật toán	Độ phức tạp của thuật toán có vai trò quan trọng
Lưu trữ giá trị	Không lưu trữ giá trị, chỉ đại diện cho kiểu dữ liệu	Dữ liệu và giá trị của nó được lưu trữ trong không gian bộ nhớ chính của máy tính
Ví dụ	Ví dụ int, float, double, …	Ví dụ stack, queue, tree, …

Kết luận

Tóm lại, cấu trúc dữ liệu là một phần quan trọng của lập trình không thể bỏ qua. Việc tìm hiểu về các cấu trúc khác nhau sẽ giúp bạn xây dựng các chương trình, ứng dụng hiệu quả và tối ưu. Hy vọng qua bài viết này, đã giúp bạn có cái nhìn rõ hơn về cấu trúc dữ liệu và các cấu trúc phổ biến nhất hiện nay!

Nếu bạn đang muốn tìm hiểu khóa học lập trình, tham khảo ngay Rikkei Academy! Với lộ trình tinh gọn, bám sát thực tế công việc cùng đội ngũ giảng viên luôn hỗ trợ 24/7 giúp bạn nhanh chóng trở thành lập trình viên chỉ trong 6 tháng! Đăng ký để nhận tư vấn miễn phí ngay!