De arrays a árboles: las estructuras de datos que debe conocer un programador

Cuando un programa necesita almacenar y manejar información, las estructuras de datos son imprescindibles para organizarla: determinan cómo se almacenan los datos en memoria y qué operaciones pueden realizarse sobre ellos de forma eficiente.

Existen diferentes alternativas según el tipo de información y las operaciones que se quieran realizar. En el Grado en Ingeniería Informática en Madrid y el Grado en Ingeniería Informática online de la Universidad Europea se estudian desde los arrays, una de las estructuras más sencillas y utilizadas, hasta otras más complejas como los árboles y grafos. A continuación, veremos las características de cada una y sus diferencias.

¿Qué es una estructura de datos?

Una estructura de datos es una forma organizada de almacenar, gestionar y acceder a la información en memoria para que las operaciones que realiza un programa sean eficientes. Define cómo se guardan los datos para que el programa pueda consultarlos, modificarlos o eliminarlos utilizando el menor tiempo y los mínimos recursos posibles.

La elección dependerá en buena medida del algoritmo que se vaya a utilizar. Por ejemplo, una estructura puede ser muy adecuada para acceder rápidamente a un elemento, pero menos eficiente si necesitamos insertar y eliminar información constantemente.

Por lo tanto, aprender estructuras de datos ayuda a comprender no solamente cómo funciona un programa, sino también por qué una determinada solución puede ser más eficiente que otra.

Arrays y listas enlazadas: las estructuras lineales básicas

Los arrays son una de las estructuras de datos más básicas y universales. Permiten almacenar varios elementos en posiciones consecutivas de memoria y acceder a ellos mediante un índice. Esta organización hace que consultar un elemento concreto sea una operación rápida cuando conocemos su posición.

Entre sus principales características destacan:

• Acceso mediante índices: cada elemento ocupa una posición determinada, lo que facilita localizarlo directamente.
• Organización secuencial: los elementos se almacenan de forma consecutiva en memoria.
• Versatilidad: pueden utilizarse para almacenar diferentes tipos de información según el lenguaje y el contexto.
• Aplicación en programación y análisis de datos: son una estructura fundamental en numerosos lenguajes y herramientas.

En el ámbito del análisis de datos científicos, por ejemplo, la biblioteca NumPy de Python ofrece estructuras especialmente diseñadas para trabajar con grandes cantidades de datos numéricos.

Frente a los arrays, las listas enlazadas organizan los elementos mediante nodos conectados entre sí. Esta diferencia las hace más apropiadas para determinadas operaciones, como cuando hay que insertar o eliminar elementos en determinadas posiciones.

La cuestión, por lo tanto, no es cuál es mejor en términos absolutos, sino cuál responde mejor a las necesidades del programa.

Pilas y colas: estructuras para gestionar el orden

Las pilas y las colas son estructuras lineales que se caracterizan por la forma en la que se introducen y extraen los elementos.

• Una pila (stack) sigue el principio LIFO (Last In, First Out): el último elemento que entra es el primero que sale. Puede entenderse con el ejemplo de una pila de platos: para retirar uno de los platos, primero hay que quitar los que se encuentran encima.
• Una cola (queue) funciona de manera diferente y sigue el principio FIFO (First In, First Out): el primer elemento en entrar es también el primero en salir. Es el funcionamiento que podemos asociar a una cola de personas esperando su turno.

Estas estructuras resultan útiles cuando el orden de procesamiento de los elementos es importante. La pila, por ejemplo, puede intervenir en procesos como la gestión de llamadas a funciones, mientras que las colas son habituales en sistemas que necesitan procesar tareas siguiendo el orden de llegada.

Tablas hash y conjuntos: búsqueda rápida de información

Cuando una aplicación necesita localizar información rápidamente, las tablas hash son una de las estructuras más utilizadas. Su funcionamiento permite asociar una clave con un determinado valor, facilitando la búsqueda de datos a partir de dicha clave.

Vemos ejemplos cotidianos en diferentes lenguajes de programación: los diccionarios de Python o los objetos utilizados en JavaScript permiten trabajar con información organizada mediante claves y valores.

Los conjuntos (sets), por su parte, están pensados para almacenar elementos sin duplicados. Son especialmente útiles cuando interesa comprobar si un determinado valor pertenece a una colección o eliminar valores repetidos.

Estas estructuras también aparecen en aplicaciones desarrolladas mediante programación orientada a objetos, donde la organización y gestión de la información es una parte esencial del diseño del software.

Árboles y grafos: estructuras jerárquicas y relacionales

Los árboles permiten representar información mediante relaciones jerárquicas. Están formados por nodos conectados entre sí y organizados en distintos niveles, con un nodo raíz del que parten otras ramas.

Esta estructura puede resultar útil para representar información jerárquica, como:

• Directorios de un sistema de archivos, organizados en carpetas y subcarpetas.
• Estructuras jerárquicas de información, en las que unos elementos dependen de otros.
• Árboles binarios de búsqueda, diseñados para facilitar determinadas operaciones de búsqueda y organización.

Los grafos amplían esta idea y permiten representar relaciones más generales entre elementos. Están formados por nodos y conexiones, que pueden utilizarse para representar redes de transporte, conexiones entre dispositivos o relaciones entre diferentes entidades.

Conocer todas estas estructuras es una base importante en ámbitos como el desarrollo o la ingeniería de software. Los profesionales deben comprender sus características para poder elegir entre unas u otras según las operaciones que necesite realizar cada programa.