מבני נתונים – ה-DNA של מערכות ממוחשבות

מבני נתונים הם אבני יסוד, ה-DNA, של מערכות ממוחשבות, והם נחשבים למושג מרכזי בהנדסת מחשבים, הנדסת נתונים ובמדעי המחשב. מבני נתונים אינם עוסקים בנתונים עצמם כי אם באופן שבו מארגנים, מאחסנים ומנהלים אותם כך שיהיה נוח לגשת אליהם, לשלוף אותם ולבצע בהם מניפולציה. זוהי המסגרת הארגונית של הנתונים. מבנה נתונים הוא אוסף של ערכי נתונים, היחסים ביניהם והפונקציות שניתן להחיל עליהם, ומתכנתים משתמשים במבני נתונים כדי לייעל את עבודתם. הם משמשים כלי רב עוצמה לניהול כמויות גדולות של DATA במסדי נתונים למשל ובתכנון אלגוריתמים – אלגוריתמים רבים פותחו לצורך מיון יעיל של נתונים, כאשר סוגים שונים של מבני נתונים מתאימים לסוגים שונים של יישומים.

לשימוש במבני נתונים יש אפוא כמה יתרונות מרכזיים:

• מבני נתונים מסייעים באחסון יעיל של נתונים.
• הם מספקים נוחות בעת אחזור הנתונים.
• מבני נתונים מספקים עיבוד יעיל ומהיר הן לכמויות קטנות והן לכמויות גדולות של נתונים.
• שימוש נכון במבני נתונים מאפשר למתכנתים לחסוך זמן.
• ועם גישה טובה למבני נתונים ניתן לבצע בקלות מניפולציות לכמויות גדולות של DATA.

לקבלת מידע נוסף בנושא מבני נתונים או לימודי תואר בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן, צרו קשר ונחזור אליכם בהקדם.

סוגי מבני נתונים ויישומם

נהוג לסווג מבני נתונים לשתי קטגוריות: פרימיטיביים ולא פרימיטיביים. מבני נתונים המוגדרים פרימיטיביים כוללים מספרים שלמים, תווים ובוליאנים. מבני נתונים לא פרימיטיביים כוללים סוגים מורכבים יותר, כמו: רשומות, רשימות מקושרות, מערכים, גרפים, עצים, תור מחסנית, טבלת גיבוב וכו'.

כך למשל, עצי B משמשים במסדי נתונים לאחזור נתונים, טבלאות גיבוב כדי לחפש מזהים, מבני נתונים כמו גרפים ועצים משמשים בגרפיקה כמו גם בתחום הבינה המלאכותית לצורך קבלת החלטות. מערכים מצטיינים במצב שיש צורך באחזור תכוף לפי אינדקס, מבני נתונים של תורים יעילים לתזמון של משימות וכן הלאה.

לכל מבנה נתונים יש חוזקות וחולשות משלו, מה שהופך כל מבנה נתונים למתאים לסוגים ספציפיים של משימות. כך לדוגמה, מערכים מספקים גישה מהירה לאלמנטים והם חסכוניים מבחינת משאבי זיכרון אך קשה להוסיף להם איברים או למחוק איברים, בעוד רשימות מקושרות מאפשרות הוספות ומחיקות יעילות של איברים אך בעלות זמני גישה איטיים יותר כאשר מחפשים איברים ברשימות.

מבני נתונים ואלגוריתמים

אם מבני נתונים הם הדרך לנהל, לארגן ולאחסן נתונים באופן יעיל, הרי שאלגוריתמים מספקים פתרון לבעיות חישוביות. אם ניקח לדוגמה עוגה או מדריך שימוש במכונת כביסה, אז מבני נתונים עונים על השאלה אילו סוגי מתכונים קיימים או אילו תוכניות כביסה מציעה המכונה,  בעוד אלגוריתמים עונים על השאלה אילו משימות קל לבצע בעזרת כל סוג של מתכון או של בעזרתה של כל תוכנית במכונת הכביסה.

אלגוריתמים הם דרך שיטתית לביצוע של משימות ספציפיות. האלגוריתמים מפרטים את הצעדים לביצוע אותן משימות, מעין רצף של הוראות לפתרון בעיה, תרשים זרימה. כך, שכפי שציינו, מתכון לעוגה או מדריך לשימוש במכונת כביסה או מדיח הם אלגוריתם. אלגוריתמים הם הבסיס לפיתוח של מערכות תוכנה וחומרה מהימנות ויעילות, וכל תוכנת מחשב היא למעשה מקבץ, אוסף, של אלגוריתמים. יש מגוון סוגי אלגוריתמים, ביניהם: אלגוריתמי חיפוש, מיון, גרפים, למידת מכונה ועוד. 

 

מבני נתונים, כגון: עצים, מערכים, טבלאות גיבוב, תורים, רשימות מקושרות וגרפים, מספקים את האמצעים לארגון ולניהול נתונים באופן המייעל את הגישה ואת היכולת לערוך שינויים. כך למשל, מבנה נתונים שנבחר באופן מושכל יכול לצמצם באופן משמעותי את הזמן של פעולה מורכבת, ולהפוך משימה איטית ועתירת משאבים למשימה מהירה, פשוטה חסכונית ויעילה. זה חשוב במיוחד בהקשר של עיבוד נתונים בקנה מידה גדול, שבו נפח הנתונים הוא עצום, וליעילות הפעולות יכולה להיות השפעה מהותית על ביצועי המערכת הכוללים.

אלגוריתמים הם כאמור הנהלים או הנוסחאות לפתרון בעיות. הם הרצפים הלוגיים המכתיבים את אופן העיבוד, המניפולציה והניתוח של הנתונים. לימוד אלגוריתמים מאפשר למהנדסים להבין את העקרונות הבסיסיים של פתרון בעיות ולפתח פתרונות שהם לא רק נכונים אלא גם אופטימליים. זה כרוך בניתוח מורכבות הזמן והמרחב של אלגוריתמים, מה שעוזר בבחירת הגישה היעילה ביותר לפתרון בעיה נתונה.

בהנדסת מחשבים מבני נתונים ואלגוריתמים הם חשובים מאוד. הם הבסיס לתכנון והטמעה של מערכות תוכנה, ממערכות הפעלה ומסדי נתונים ועד ליישומי אינטרנט ובינה מלאכותית. הבנה עמוקה של מושגים במבני נתונים ואלגוריתמים מאפשרת למהנדסים לבנות מערכות חזקות, יעילות וניתנות להרחבה, המסוגלות להתמודד עם הדרישות של המחשוב המודרני.

בהנדסת נתונים, היכולת לעבד ולנתח ביעילות מערכי נתונים גדולים היא חיונית ממש. מבני נתונים ואלגוריתמים מספקים את הבסיס לפתרונות אחסון וכלים אנליטיים שיכולים להתמודד עם המורכבות וההיקף של ביג דאטה. על ידי שליטה במושגים בתחום של מבני נתונים ואלגוריתמים, מהנדסי נתונים יכולים לתכנן מערכות המסוגלות לחלץ תובנות יקרות ערך מכמויות אדירות של נתונים, להניע חדשנות ולשפר תהליכי קבלת החלטות מושכלת.

קורס מבני נתונים ואלגוריתמים בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן

אם מבני נתונים מעניינים אתכם ואתם רוצים להעמיק את הידע בתחום ולרכוש מיומנויות, ידע וכלים החיוניים למפתחים, למהנדסים ולעובדים רבים בתעשייה עתירה הידע, כדאי לדעת שהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן מציעה קורס מבני נתונים ואלגוריתמים בשלושה מסלולי לימוד:

• קורס מבני נתונים ואלגוריתמים במסגרת לימודי הנדסת נתונים לתואר ראשון. מסלול ייחודי המאפשר לסטודנטים ולסטודנטיות לבחור שני מסלולי התמחות מבין החמישה הבאים: התמחות באופטימיזציה ואלגוריתמים, התמחות ברשתות ותקשורת, התמחות בעיבוד וניתוח מידע ולמידה סטטיסטית, התמחות בראיה ממוחשבת וגרפיקה ממוחשבת ו התמחות באבטחת מידע ואמינות.
• קורס מבני נתונים ואלגוריתמים במסגרת לימודי תואר ראשון בהנדסת מחשבים. מסלול זה מציע ארבעה מסלולי התמחות, מהם ניתן לבחור אחד: התמחות בעיבוד וניתוח נתונים, התמחות באבטחת סייבר, התמחות בתכן חומרה או התמחות ברשתות חישוב.
• קורס מבני נתונים ואלגוריתמים במסגרת הנדסת תעשייה ומערכות מידע. מסלול זה משלב בין שני תארים - הנדסת תעשייה והנדסת מערכות מידע, וניתן להתמחות בנושאים הבאים: למידת מכונה ומדעי הנתונים, מערכות מידע, וחקר ביצועים ורובוטיקה.

במהלך קורס מבני נתונים ואלגוריתמים בפקולטה להנדסה לומדים בין היתר את הנושאים הבאים:

• מושגי יסוד במבני נתונים
• גישות אלגוריתמיות מרכזיות
• סיבוכיות של אלגוריתמים
• מבני נתונים בסיסיים
• מיונים: מיון מהיר, מיון ליניארי, מיון הכנסה ועוד
• ADT
• הוכחת נכונות של אלגוריתמים
• חסמים עליונים וחסמים תחתונים
• רקרוסיה, העלמת רקורסית זנב ועוד
• תור וקדימויות, רשימות מקושרות, מערכים ועוד
• ערימות
• עצים: AVL, עצי חיפוש בינאריים, עצי דרגות ועוד
• שיטת האיטרציות, שיטת הצבה ועוד
• מחרוזות
• טבלאות גיבוב
• תכנון דינמי
• ועוד...

בוגרי לימודי הנדסה בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן משתלבים בהצלחה בתעשיות הטכנולוגיות, בהייטק ובתעשייה עתירת הידע במגוון תחומים, ונהנים מתואר יוקרתי שפותח דלתות.

לקבלת מידע נוסף בנושא קורס מבני נתונים ואלגוריתמים או לימודי תואר בפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן, צרו קשר ונחזור אליכם בהקדם.