#34 資料結構 - 非電腦科系的工程師們,你們體會多少了呢 ?

我第一次念資料結構時是因為準備台灣的資工研究所考試而念的,當時為了考試再加上時間也不夠多,所以念的很匆忙,沒有太多的時間思考著這門課程的精華.後來,念了研究所之後,研讀了一些學術論文,才慢慢了解到資料結構的精華.在許多學術論文裡都是討論著許多真實世界上的問題,通常這些問題會用一個數學公式或模型來表示,所以接下來的內容討論就可以直接在這數學公式或模型上直接去模擬.而這類的數學公式或模型若要用電腦程式來表達時,通常會發展出適合的演算法與資料結構.所以,這類的論文看多了之後,反而有幫助自己漸漸了解資料結構的精華.

基本上,電腦有二個基本的東西,一個運算器,一個是儲存空間.運算器就是大家所知的 CPU,而儲存空間就是記憶體和硬碟,其中記憶體是速度快但記憶時間較短,而硬碟是速度慢但記憶時間較長.這兩個東西你可以想成他們是長長的紙條,運算器可以在這長長的紙條上寫下資料,也可以讀取資料.

資料結構基本上就包含了兩件內容,一個是你需要用的資料是要寫在紙條上的何處,另一個就是如何在這些資料之間進行讀取或寫入.舉個例子,之前的文章提到 Array 這個資料結構.它的特性就是當你建立這個資料結構時,你必須先在紙條上找到一個符合你需要的足夠大的空間,而在資料之間進行讀取寫入的方式就是直接透過計算要讀或寫第幾個元素,就可以直接算出在紙條上的位址.例如,宣告了一個 byte array,一個有 20 個元素,如果第一個 byte 就是紙條上第 1000 個 byte 的位址,當我們要讀取第 5 個元素時,我們就知道要去 1005 byte 的位址上去讀取資料.

再舉另一個例子,Linked List.當你宣告了一個 Linked List 時,一開始你會先加入一個元素,這個元素可以寫在紙條上任何足夠空間的地方,而當你再加入另一個元素時,此時運算器就在紙條上任意一個足夠空間的地方把資料寫下,然後再回到第一個元素的位址上,把第二個元素的位址寫在第一個元素的空間中.所以,你可以知道在每個元素的空間中,除了元素的資料以後,還有下一個元素的地址.因此,當你想知道這個 Linked List 有多少元素時,你就必須從第一個元素一直讀到最後一個元素.

因此,課本裡面教的都是一些最基本的資料結構,就好像數學裡的四則運算一樣.電腦世界裡面的執行過程都是把紙條上的資料讀過來寫過去.當你發現你需要的問題很難用這些基本的資料結構來表達時,這時就是可以發明新的資料結構的時候了.

也許你會問,那這些跟平常的工作有什麼關係嗎 ? 比如,每天都在寫 JavaScript 搞前端畫面或是都在寫 java 寫後端程式.其實,多多少少會有關係的,尤其是你用物件導向在寫程式時,你所宣告的 class 就像是你定義了一種資料結構,這個 class 裡面所用到的儲存方式和運算方式都會大大地對程式在各方面有影響.就像是你知道了 Array 和 List 有何不同,你才會選得較適合的資料結構,也才能寫出比較快的程式碼.

未來的文章,不論是討論資料庫或是面試題目,你們都可以好好地思考一下是否還有其他可用的資料結構.不同的資料結構就代表程式的內容是不同的,可能會更好,也可能一樣,但也可能更差.所以,非電腦科系的工程師們,你們體會多少了呢 ?



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