数据结构·基本概念

Data Structure Notes

Author : "blueflylabor"
Version : 1.0
Refresh Date 2020.11.26
Description : 
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数据结构的基本概念

1.数据

2.数据元素：

数据的基本单位，一个数据元素可有若干个数据项构成，数据项是不可分割的最小单位

3.数据类型

4.抽象数据类型(ADT[Abstract Data Type]):

数学模型在计算机的一种实现，包括数据对象、数据关系、基本操作，如建立一个有限状态机模型

5.数据结构：数据元素之间的关系称之为结构，数据结构包括三方面：逻辑结构、存储结构、数据运算(程序=算法+数据结构)

6.逻辑结构：数据间的逻辑关系，与数据存储独立，分为线性结构和非线性结构

graph TD 逻辑结构--线性结构 逻辑结构--非线性结构 线性结构--一般线性表 线性结构--受限线性表 线性结构--线性表推广 受限线性表--栈和队列 受限线性表--串 线性表推广--数组 线性表推广--广义表 非线性结构--非线性表 非线性表--集合 非线性表--树形结构 非线性表--图形结构 树形结构--一般树 树形结构--二叉树 图形结构--有向图 图形结构--无向图

7.物理结构：数据元素的表示以及关系的表示，主要有：顺序存储、链式存储、索引存储、散列存储

8.算法评估

（1）特性：有穷、确定、可行、输入、输出

（2）时间复杂度：衡量算法随问题规模的增大，算法执行的时间增长的快慢

T(n)=O(f(n))，f(n)为算法运算频度，一般采用最坏情况下的时间复杂度

计算方法：取算法时间增长最快的函数项，忽略其系数

a加法规则：

$$
T(n)=T_1(n)+T_2(n)=O(f(n))+O(g(n))=O(max(f(n),g(n)))
$$

多项式相加，只保留最高阶的项，且系数变为1

b乘法规则：

$$
T(n)=T_1(n)*T_2(n)=O(f(n))*O(g(n))=O(f(n)*g(n))
$$

多项式相乘，都保留

从左到右性能依次降低：

$$
O(1)<O(log_2n)<O(n)<O(nlog_2n)<O(n^2)<O(n^3)<O(2^n)
$$

单循环体型：

例题1：计算下列程序的时间复杂度

```C++
int i,sum	//执行1次
sum=0	//执行1次
for(i=0;i<=n;i++)//int i=0执行1次，i<=n执行n+2次，i++执行n+1次
	sum+=i;	//执行n+1次
```

时间分析： 该算法执行了3n+6个语句。 假设每个语句执行时间一致，均为常数t。则总时间 
$$
T=(3n+6)*t
$$
随着问题规模n的增大，总时间的增长率与n的增长率一致，所以复杂度为
$$
O(n)
$$


结论： 

 复杂度是关于增长率的，所以可以直接忽视常数项

  一般可以直接关注循环段基本操作语句

  ```c++
  sum+=i;
  ```
 
  

 的执行次数

例题2：

int sum,i;
sum=0;
for (i = 1;i <= n;i=2*i){
	sum=sum+i;

时间分析：

i 取值：1,2,4,8…
满足条件：2^𝑘 ≤ n
K𝑙𝑜𝑔_2𝑛时， 跳出循环
所以循环体执行次数：⌈𝑙𝑜𝑔_2𝑛⌉ 故时间复杂度为O(logn).i 取值：1,2,4,8

多循环体型

两个运算法则：乘法规则（嵌套循环）、加法规则（若干循环）

例题3：

int x,y,i,j;
for(i=1;i<=n;i++)
	x++;
for(i=1;i<=n;i++)
	for(j=1;j<=n;j++)
		y++;

两个循环体是独立的，采用加法规则：

\[T(n)=T_1(n)+T_2(n) \]

\[=max(T_1(n),T_2(n)) =O(n^2) \]

例题4：

int i,j,sum;
for (i=1;i<=n;i++)
	for(j=1;j<=n;j=2*j)
		sum=sum+j;

两个循环体是嵌套的，采用乘法规则：

\[T(n)=T_1(n)*T_2(n) \]

\[=O(nlogn) \]

（3）空间复杂度：衡量算法随问题规模的增大，算法所需空间的快慢

S(n)=O(g(n))，算法所需空间的增长率和g(n)的增长率相同

空间复杂度S(n)指算法运行过程中所使用的辅助空间的大小

线性表

1.定义：线性表是具有相同数据类型的n个数据类型的有限序列，n为表长

线性表中第一个元素称为表头元素，最后一个元素称为表位元素

除第一个元素外，每个元素仅有一个直接前驱，除最后一个元素外，每个元素有且仅有一个直接后继

顺序存储

线性表的顺序存储又称顺序表

使用一组地址连续的存储单元(数组等)依次存储线性表的数据元素，从而使得逻辑相邻的两个元素在物理位置上也相邻

三个属性：

1.存储空间的起始位置

2.顺序表最大存储容量

3.顺序表当前的长度

宏定义

静态分配大小

#define MaxSize 100
typedef int Elemtype
typedef struct{
Elemtype elem[MaxSize];
int length;
}SqList;

动态分配大小(这里动态指空间大小运行时决定，但分配大小后，空间大小被固定)

typedef int Elemtype
typedef struct{
Elemtype *elem;
int length;
}SqList;

优点：访问效率高、存储密度高

缺点：插入删除操作复杂

顺序存储线性表操作

1.初始化顺序存储线性表

int initLinklist(SqList &L){
	L.elem=new Elemtype[MaxSize];
if(!L.elem)
   exit(OVERFLOWS);
L.length=0;
return OK;
}

（1）创建一个顺序存储表后，需要初始化，首先根据数组大小通过new在堆空间开辟一段连续的空间赋值于先前创建的顺序存储表的elem空间

（2）检查elem是否存在，不存在溢出退出程序

（3）将length元素赋值为0，即设置顺序存储线性表长度为0

2.销毁顺序存储线性表

void destroyList(SqList &L){
if(L.elem)
   delete(L.elem);
}

如果线性表存在，删除线性表elem开辟的空间

3.清空顺序存储线性表

void clearList(SqList &L){
L.length=0;
}

将线性表的长度置为0

4.判断顺序存储线性表是否为空

bool isEmpty(SqList &L){
if(L.length==0)
   return 1;
else
   return 0;
}

判断线性表长度是否为0，并返回相应bool值

5.引用类型按下表获取顺序存储线性表元素

int getElem(SqList L,int i,type&e){
 if(i<1||iL.length)
     return ERROR;
 e=L.elem[i-1];
 return OK;
}

（1）先检查传递参数下标量是否正确

（2）通过访问elem内数据存入引用类型变量内

6.按下表获取顺序存储线性表元素

Elemtype getElem(SqList L,int i){
	if(i<1||iL.length)
     return ERROR;
 return L.elem[i-1];
}

（1）先检查传递参数下标量是否正确

（2）通过访问elem内数据并返回

7.引用类型按值查询顺序存储线性表元素下标

int locateElem(SqList L,Elemtype e,int &i){
	for(int i=0;i<L.length;i++)
     if(L.elem[i]==e)
         return OK;
}

按照elem开辟空间进行迭代，当迭代元素与目标元素值相等时，将迭代量赋值于引用类型下标变量

8.按值获取顺序存储线性表元素下标

int locateElem(SqList L,Elemtype e){
 for(int i=0;i<L.length;i++)
     if(L.elem[i]==e)
         return i;
}

按照elem开辟空间进行迭代，当迭代元素与目标元素值相等时，将迭代量返回

9.按下标插入元素

int listInsert(SqList &L,type e,int i){
 if(i<1||iL.length)
     return ERROR;
 ++L.length;
 for(int j=L.length-1;j=i-1;j--)
     L.elem[j+1]=L.elem[j];
 L.elem[i-1]=e;
 return OK;
}

（1）先检查传递参数下标量是否正确

（2）增加线性表长度

（3）按照目标元素位置，将其尾部元素后移1偏移量

（4）将目标元素存入下标位置

时间复杂度分析:

（1）

\[最好情况：在表尾插入(即i=n+1) \]

\[元素后移语句执行的时间复杂度为O(1) \]

（2）

\[最坏情况：在表头插入(即i=1) \]

\[元素后移语句执行n次，时间复杂度为O(n) \]

（3）

\[平均情况：假设p_i(p_i=1/(n+1)) \]

\[是第i个位置上插入一个结点的概率 \]

\[则在长度为n的线性表中插入一个节点是需要移动结点的平均次数为 \]

\[\begin{equation*} f = \sum_{i=1}^{n+1}p_i(n-i-1) \end{equation*} \]

\[\begin{equation*} =\sum_{i=1}^{n+1}{\frac{n+1}{n-i+1}} \end{equation*} \]

\[\begin{equation*} =\frac{1}{n+1} \sum_{i=1}^{n+1}(n-i-1) \end{equation*} \]

\[=\frac{1}{n+1}\frac{n(n+2)}{2}=\frac{n}{2} \]

\[因此顺序存储线性表的插入算法平均时间复杂度为O(n) \]

10.按下标删除元素

int listDelete(SqList &L, int i) {
	if ((i < 1) || (i  L.length))
		return ERROR;
	for (int j = i; i <= L.length - 1; j++) {
		L.elem[j - 1] = L.elem[j];
		--L.length;
	}
	return OK;
}

（1）先检查传递参数下标量是否正确

（2）按照目标元素位置，将其头部元素前移1偏移量

（3）减少线性表长度

时间复杂度分析:

（1）

\[最好情况：在表尾插入(即i=n) \]

\[无需移动元素，时间复杂度为O(1) \]

（2）

\[最坏情况：在表头插入(即i=1) \]

\[需移动除第一个元素外的所有元素，时间复杂度为O(n) \]

（3）

\[平均情况：假设p_i(p_i=1/(n+1)) \]

\[是第i个位置上插入一个结点的概率 \]

\[则在长度为n的线性表中插入一个节点是需要移动结点的平均次数为 \]

\[\begin{equation*} f = \sum_{i=1}^{n}p_i(n-i) \end{equation*} \]

\[\begin{equation*} =\sum_{i=1}^{n}{\frac{n}{n-i}} \end{equation*} \]

\[\begin{equation*} =\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}(n-i) \end{equation*} \]

\[=\frac{1}{n}\frac{n(n-1)}{2}=\frac{n-1}{2} \]

\[因此顺序存储线性表的插入算法平均时间复杂度为O(n) \]

11.创建顺序存储线性表

int createList(SqList &L, int n) {
	type e;
	L.length = n;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		cout << "Please in put an element:";
		cin  e;
		L.elem[i] = e;
	}
	return OK;
}

11.打印顺序存储线性表内元素

void printList(SqList L) {
	printf("\nList's element：\n");
	for (int i = 0; i < L.length; i++) {
		cout << "elem[" << i << "] =" << L.elem[i] << endl;
	}
}