¿Qué es una estructura de datos y cómo funciona?

La mayoría de la gente se refiere a los datos como información informática, ya sea que se transmitan o almacenen. Sin embargo, los números o textos en una hoja de papel, los bits y bytes dentro de un dispositivo de memoria electrónica o los hechos dentro de la mente humana también pueden clasificarse como datos. La estructura de datos se refiere a una colección de hechos y cifras, un conjunto de valores o valores de un formato distinto que hacen referencia a una combinación precisa de elementos.

Te puede interesar leer: La Dark Web explicada: todo lo que necesitas saber

¿Qué es una estructura de datos?

Una estructura de datos es una forma profesional de almacenar, organizar, procesar y recuperar datos. Existen diferentes tipos de estructuras diseñadas para organizar datos para diferentes propósitos. Esto facilita que los usuarios tengan acceso a los datos que necesitan. Una estructura de datos organiza la información de una manera que es fácilmente comprensible tanto para las máquinas como para los humanos.

En informática y programación, las estructuras de datos están diseñadas para usarse con algoritmos específicos. Cada estructura tiene información sobre valores de datos, relaciones de datos, así como funciones que se pueden aplicar a los datos.

Tipos y ejemplos de estructuras de datos

Las estructuras de datos se utilizan de manera diferente para resolver problemas matemáticos y lógicos en nuestra vida diaria. Con el uso de una estructura de datos, se puede organizar y operar una gran cantidad de datos en un tiempo relativamente corto. Hay dos tipos principales de estructuras de datos: primitivas y no primitivas.

Primitivo

Este tipo de estructuras de datos opera directamente, según lo que la máquina les indica que hagan. Tienen un solo valor y constan de tipos de datos como float, int, punteros y double, entre otros.

No primitivo

Estos son tipos complejos de estructuras de datos que se originan a partir de estructuras primitivas. Se clasifican en estructuras de datos lineales y no lineales.

Estructuras de datos lineales

En una estructura de datos lineal, los datos se organizan linealmente o secuencialmente donde el elemento actual siempre está adjunto a sus elementos anterior y siguiente. La estructura de datos lineal puede ser estática, donde los datos tienen un tamaño de memoria fijo, lo que facilita el acceso a los elementos, o dinámica, donde el tamaño de la memoria no es fijo, lo que permite actualizaciones aleatorias de los datos. La estructura de datos lineal consta de lo siguiente:

Matrices

Se trata de una estructura de datos lineal en la que los elementos se recopilan y almacenan en ubicaciones de memoria contiguas. La idea principal es tener todos los mismos tipos de datos juntos en un solo lugar. Esto permite procesar una gran cantidad de datos en muy poco tiempo.

Los arrays tienen diferentes operaciones como buscar, insertar, ordenar y eliminar, entre otras. A continuación se muestran las operaciones realizadas en una matriz:

• Traverse – Recorrer los elementos antes de imprimirlos.
• Buscar: profundizar en los elementos dentro de la matriz. Los elementos se pueden buscar por su índice o valor.
• Actualización: mantener actualizados los elementos existentes dentro de un índice determinado.

No se puede insertar y eliminar elementos dentro de la matriz, ya que todos los elementos tienen un tamaño fijo. Si uno quiere insertar o eliminar un elemento, debe crear una nueva matriz y aumentar el tamaño.

Aplicación de matrices

• Se utiliza para resolver problemas matriciales.
• Implementación de registros de base de datos.
• Se utiliza para programar la CPU.
• Aplicado como tabla de búsqueda en computadoras.
• Se utiliza para procesar una variedad de discursos.
• Se utiliza una matriz multidimensional para mostrar la pantalla de la computadora.
• Se utiliza en sistemas de gestión como bibliotecas, portales de estudiantes y parlamentos.
• Para guardar imágenes en una dimensión diferente.

Lista enlazada

Esta es una estructura de datos lineal donde los elementos no se almacenan en ubicaciones de memoria contiguas. Todos los elementos aquí están vinculados mediante referencias o punteros. Las listas enlazadas se clasifican en lista enlazada simple, lista enlazada doblemente, lista enlazada circular y lista enlazada doblemente circular. Esta estructura de datos utiliza memoria adicional para almacenar los enlaces.

• Lista enlazada individualmente: los elementos solo se pueden recorrer en dirección hacia adelante.
• Lista doblemente enlazada: los elementos se pueden recorrer tanto hacia adelante como hacia atrás. Los nodos tienen un puntero adicional llamado PREV y apunta hacia el nodo anterior.
• Listas enlazadas circulares: el puntero ANTERIOR apunta hacia la cola y el puntero siguiente hacia la cabeza de los nodos.

Contenido similar: Cómo puedes convertirte en un desarrollador web

Operaciones de lista enlazada

• Buscar: busca el primer elemento que contenga una clave específica de las listas vinculadas asignadas mediante la búsqueda lineal.
• Insertar: introduce una clave en la lista vinculada. Esto se puede hacer al principio de la lista, al final o en el medio de la lista.
• Eliminar: esto elimina un elemento específico de una lista específica. La eliminación solo se puede realizar en tres pasos: eliminar desde el principio, desde el final y desde el medio de la lista.

Aplicaciones

• Se utiliza en la programación Round-Robin para realizar un seguimiento del turno en los juegos multijugador.
• Almacenan páginas web visitadas anteriormente.
• Mostrar feeds de redes sociales.

Pilas

Esta es una estructura de datos lineal donde hay un orden particular en el que se realiza cada operación. El orden es «el último en entrar es el primero en salir». Aquí, los datos solo se pueden ingresar y recuperar desde un extremo, lo que se denomina operación push-and-pop. Las operaciones que se realizan bajo la pila son recursividad, clasificación, eliminación y mucho más.

Operaciones de pila

• Push: esto consiste en insertar un elemento en la parte superior de las pilas.
• Pop: el elemento superior se elimina y luego se devuelve.
• Peek: devolver el elemento en la parte superior sin eliminarlo.
• isEmpty: confirma que las pilas están vacías.
• isFull: comprobar si las pilas están llenas.

Aplicaciones

• Los registros de llamadas en teléfonos móviles utilizan una estructura de datos de pila.
• Los navegadores utilizan pilas para mantener una lista de todos los sitios visitados anteriormente.
• Utilizado en la gestión de la memoria.
• Convertir expresiones infijas a postfijas.
• Utilizado en reproductores multimedia para reproducir la siguiente canción.

Cola o queue

Se trata de una estructura de datos lineal que utiliza un orden particular «primero en entrar, primero en salir» para realizar sus operaciones. Todos los datos que se hayan ordenado primero serán accesibles primero y la entrada y recuperación de datos se realiza desde múltiples extremos.

Un buen ejemplo es una cola para un consumidor en particular; la persona que llegó primero siempre es atendida primero. Para acceder a un archivo aquí, debe eliminar todos los archivos que se agregaron antes.

Operaciones en cola

• Enqueue: agrega un elemento que está al final de la cola.
• Dequeue: elimina un elemento que está al principio de la cola.

Estructura de datos no lineal

Este es el segundo tipo de estructura de datos no primitiva donde los elementos de datos no son secuenciales. Aquí es difícil navegar por todos los elementos a la vez. Consisten en lo siguiente:

Árbol

Se trata de una estructura de datos no lineal en la que los elementos están dispuestos en una estructura similar a un árbol, con el nodo superior denominado nodo raíz. Cada nodo contiene una variedad de datos sin clasificar.

Está formado por nodos centrales, nodos estructurales y subnodos. Estos nodos están conectados mediante aristas. El árbol binario, el árbol de búsqueda binaria, el árbol AVL y el árbol B son diferentes tipos de árboles.

Te sugerimos leer sobre: Funciones de los sistemas operativos

Atributos del árbol de búsqueda binaria

1. Clave: el valor que se almacena dentro del nodo.
2. Izquierda: punteros que apuntan hacia el nodo izquierdo.
3. Derecha: punteros que apuntan hacia el nodo derecho.
4. P: punteros hacia el nodo madre.

Aplicaciones

• Ayuda en el desarrollo de juegos.
• Bases de datos indexadas.
• Servidor de nombres de dominio.
• Sitios de redes sociales.

Gráficos

Esta es una estructura de datos no lineal que tiene vértices y aristas. Tiene un número restringido de vértices y aristas que conectan los nodos. Esta estructura de datos se utiliza principalmente para resolver problemas de programación que son complejos y desafiantes. El vértice que tiene la menor excentricidad se considera el centro del gráfico.

• Gráficos dirigidos: cuando todas las direcciones de los bordes indican el vértice inicial y final.
• Gráficos no dirigidos: todos los bordes no tienen una dirección específica. Un borde que no está conectado a nada en el gráfico se considera aislado.

Aplicaciones

• Se utiliza para presentar el flujo de cálculo.
• Utilizado en el modelado de gráficos.
• Se utiliza para representar páginas web y enlaces de Google por parte del motor de búsqueda.
• Los gráficos de asignación de recursos se utilizan en los sistemas operativos.
• Una red social donde los usuarios son los nodos y las amistades dentro de la red se convierten en los bordes.

Tablas hash

Esta es una estructura de datos que almacena valores con las mismas asociaciones clave. Es eficiente con la búsqueda debido a la relación entre las claves. Por este hecho, es eficiente a la hora de buscar e insertar, sin considerar el tamaño de los datos.

Las tablas hash tienen una función denominada función hash (h) que se utiliza para superar los problemas antes mencionados.

Aplicaciones de las tablas hash

• Implementación del índice de la base de datos.
• Implementación de matrices asociativas.
• Establecer implementación de estructura de datos.

Cómo elegir una estructura de datos

Las estructuras de datos se eligen según las operaciones y la complejidad de la aplicación o el software en desarrollo. Diferentes estructuras de datos ofrecen diferentes soluciones y, por lo tanto, es aconsejable elegir la estructura de datos y el ingeniero más convenientes.

Operaciones

Es fundamental comprender qué operación quieres que realice la estructura de datos, como recuperación, eliminación, actualización, inserción y recorrido. ¿Qué operación se realizará con frecuencia? ¿Qué operación no se utilizará en absoluto? Este tipo de preguntas ayudan a identificar si la estructura de datos satisface todas tus necesidades y si puedes combinar múltiples estructuras para satisfacer todas tus necesidades, así como a confirmar si las estructuras serán rápidas o lentas cuando se utilicen.

Complejidad

La pregunta aquí es qué estructura de datos será la más útil y eficiente cuando sea grande. Una buena estructura de datos debería poder manejar cualquier tamaño de estructura o datos.

Control de memoria

Las estructuras de datos de memoria estática ocupan una cantidad fija de memoria al momento de su instalación y limitan la cantidad de datos que se agregarán. Por otro lado, las estructuras de datos dinámicas dan al usuario el mandato de asignar, liberar y reasignar memoria cuando el programa está en uso. Sin embargo, programas como Python y JavaScript asignan datos para el usuario independientemente del tipo de estructura que se utilice.

Leer más acerca de: Cómo elegir un proveedor de Internet

Usos de las estructuras de datos

Veamos la aplicación de estructuras de datos a continuación.

Implementación de datos

Las estructuras de datos se utilizan principalmente en la implementación de datos abstractos en forma física. Esto los convierte en una parte vital de la creación y ejecución de software eficaz. También ayudan en el diseño de algoritmos. Varios de los primeros lenguajes de programación, como C y C++, brindaron a los programadores la capacidad de delinear sus estructuras de datos.

Almacenamiento de datos

Los ingenieros de software utilizan algoritmos que están totalmente acoplados al tipo de estructuras de datos que desean, como listas y colas. Las estructuras de datos también se utilizan para almacenar datos. Especifican la colección de rasgos y las estructuras utilizadas para almacenar registros en un sistema de base de datos. También gestionan recursos y servicios. Los recursos y servicios del sistema operativo se habilitan mediante el uso de estructuras de datos, como listas vinculadas de asignaciones de memoria.

Clasificar y ordenar datos

Las estructuras de datos se utilizan para clasificar y ordenar datos. Una estructura de datos, como un árbol de búsqueda binario, ofrece una forma eficaz de ordenar los datos que se utilizan como etiquetas. Por último, las aplicaciones y el software de datos de gran tamaño utilizan estructuras de datos para asignar y administrar datos almacenados en diferentes sitios de datos, lo que garantiza la máxima escalabilidad y rendimiento.

Importancia de las estructuras de datos

Ayuda en la gestión eficaz de datos. Una selección cuidadosa y sensata de la estructura de datos puede mejorar el rendimiento de un algoritmo o programa informático, haciéndolo más útil.

Manejo de la complejidad

Un aumento en la programación informática y el aumento en el uso de datos pueden afectar la ejecución de algunas aplicaciones y reducir la velocidad de procesamiento, la búsqueda de datos y el manejo de múltiples solicitudes. Para gestionar esta amenaza, se utilizan estructuras de datos para ayudar a que la computadora funcione de manera más efectiva.

Uso sistemático de la memoria

La optimización ocurre cuando los datos estructuran la memoria. Por ejemplo, se pueden utilizar listas y matrices vinculadas cuando no se está seguro del tamaño de los datos. Los datos también se pueden borrar cuando ya no estén en uso.

Capacidad de reutilización

Una vez que se ha lanzado una estructura de datos específica, se puede reutilizar en cualquier posición discreta. Estas implementaciones se pueden colocar en bibliotecas que permitan que diferentes clientes las utilicen.

Abstracción

Una estructura de datos es la base de los tipos de datos abstractos. En el tipo de datos abstracto, se supone que se entienden las operaciones.

Es importante elegir la estructura de datos más adecuada para los datos con los que se va a trabajar. Una estructura de datos inadecuada puede provocar que un programa se ejecute lentamente o que el código no responda. Antes de elegir la estructura de datos correcta, considera las siguientes preguntas:

• ¿Qué tipo de información se almacenará allí?
• ¿Cómo se utilizará la información almacenada?
• ¿Dónde se supone que se deben guardar los datos una vez diseñados o creados?
• ¿Existe una mejor manera de organizar los datos?

Tipos de datos

Si las estructuras de datos son los bloques que construyen la base de los programas de computadora, entonces los tipos de datos son los bloques que construyen las estructuras de datos. Los diferentes tipos de datos incluyen:

• Booleano: este es el almacenamiento de los valores lógicos de lo que es verdadero o falso.
• Números enteros: varían en tamaño y contienen una amplia gama de valores. Por ejemplo, un entero de 8 bits contiene valores entre 128 y 127.
• Números flotantes: almacenan la representación de números reales en fórmulas.
• Punteros: estos son los puntos de referencia que se refieren a otros valores.
• Cadena: representa una serie de caracteres seguidos de un código de parada, generalmente de un valor «0».

Aplicaciones de la vida real de estructuras de datos

• Cuando miras algo en la televisión, esa visualización es una matriz multidimensional.
• La numeración de preguntas durante un examen en línea en el que no se puede omitir un número es una aplicación de matrices.
• La disposición de los títulos de libros en un sistema de gestión de biblioteca digital es una aplicación de matrices.
• Se utiliza en el visor de imágenes donde las imágenes anterior y siguiente están vinculadas mediante los botones anterior y siguiente.
• En una lista de reproducción de música, la canción que se reproduce actualmente está vinculada a la anterior y a la siguiente.
• Una pila de platos utiliza pilas.
• Los botones rehacer y deshacer en Microsoft Word son aplicaciones de pilas.
• Al reducir la plantilla, las empresas utilizan el criterio de último contratado, primero despedido. Estas son pilas.
• El historial del navegador de las páginas web visitadas es un ejemplo de pilas en uso.
• Las impresoras, el lavado de autos y los correos electrónicos de bodas utilizan la estructura de cola.
• Los cálculos científicos y la clasificación de páginas emplean una estructura gráfica.

Conclusión

La forma en que se organizan los datos se denomina estructura de datos. La estructura también permite al usuario interactuar con los datos de una manera específica. La elección de la estructura de datos correcta está determinada por el programa y el algoritmo con el que se está trabajando. Hacer la selección correcta de la estructura de datos es muy importante para todo ingeniero de software.

Preguntas frecuentes

¿Qué son las estructuras de datos y por qué son importantes?

Las estructuras de datos son una forma de organizar y almacenar datos en un programa de computadora para que se pueda acceder a ellos y manipularlos de manera eficiente. Son importantes porque permiten un procesamiento de datos más rápido y eficaz, lo cual es esencial para muchas aplicaciones.

¿Cuáles son las estructuras de datos más utilizadas?

Algunas de las estructuras de datos más utilizadas incluyen matrices, listas vinculadas, pilas, colas, árboles y gráficos. Cada una de estas estructuras de datos tiene sus propias fortalezas y debilidades y es adecuada para diferentes tipos de datos y aplicaciones.

No te vayas sin leer: Cómo puedes configurar Alexa en 8 sencillos pasos

¿En qué se diferencian las estructuras de datos de los algoritmos?

Mientras que las estructuras de datos se ocupan de cómo se organizan y almacenan los datos, los algoritmos se ocupan de cómo se procesan y manipulan los datos. En otras palabras, las estructuras de datos proporcionan la base sobre la que operan los algoritmos.

¿Cuál es la complejidad temporal de una operación de estructura de datos?

La complejidad temporal de una operación de estructura de datos se refiere a cuánto tiempo lleva realizar esa operación. Esto es importante porque nos permite evaluar la eficiencia de diferentes estructuras de datos y algoritmos y elegir el mejor para una tarea en particular.

¿Cómo se relacionan las estructuras de datos con la gestión de la memoria?

Las estructuras de datos están estrechamente relacionadas con la gestión de la memoria porque determinan cómo se almacenan los datos en la memoria. La gestión eficiente de la memoria es esencial para un buen rendimiento y elegir la estructura de datos adecuada puede ayudar a minimizar el uso de la memoria y optimizar la velocidad del programa.