【数据结构&算法】04-线性表
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前言
李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/15487297.html
线性表的定义
线性表：
- 线性表（list）- 零个或多个数据元素的有限序列。
- 序列：第一个元素无前驱，最后一个元素无后继，其他每个元素都有且只有一个前驱和后继。
- 有限：元素的个数是有限的。
- 元素类型：元素类型相同。
线性表的数据类型&操作
线性表操作
-
线性表的创建和初始化。
-
清空线性表。
-
获取线性表的数据元素。
- 按位置获取。
- 按自定义参考值获取。
-
插入数据。
-
删除数据。
-
线性表元素个数。
-
线性表空判。
-
线性表满判。
-
检查元素是否存在。
数据类型定义
- 数据空间。
- 自定义数据。如锁、长度记录等等。
- 常用操作。
/* 线性表数据结构 */
typedef struct
{
/* data_typde Data; 数据空间。 */
/* 自定义数据。 */
/* 数据操作。 */
}
复杂操作
如合并集合 B 中的数据到集合 A 中：
/* 将所有在线性表 list_b 中但是不在 list_a 中的数据元素插入到 list_a 中 */
void list_union(list *list_a, list *list_b)
{
int i = 0;
int list_a_len = 0;
int list_b_len = 0;
elem_type elem = 0;
list_a_len = list_lenght(list_a);
list_b_len = list_lenght(list_b);
for(i = 1; i <= list_b_len; i++)
{
list_get_elem(list_b, i, &elem); /* 取 list_b 中第 i 个数据元素赋给 elem */
if(!list_locate_elem(list_a, elem) /* list_a 中不存在和 elem 相同数据元素 */
{
list_insert(list_a, ++list_a_len, elem); /* 插入 */
}
}
}
线性表的顺序存储结构
线性表的两种物理结构：
- 顺序存储结构。
- 链式存储结构。
顺序存储结构的定义
定义：
- 线性表的顺序存储结构，指用一段地址连续的存储单元依次存储线性表的数据元素。
顺序存储方式
若每个数据类型相同，可以用 C 语言的一维数组来实现顺序存储结构：
#define MAX_SIZE /* 数据空间 */
typedef int elem_type; /* 元素类型 */
typedef struct
{
int length; /* 线性表长度 */
elem_type data[MAX_SIZE]; /* 实际空间 */
}list_t;
描述顺序存储结构需要三个属性：
- 存储空间的起始位置：数组 data，它的存储位置就是存储空间的存储位置。
- 线性表的最大存储容量：数组长度 MAX_SIZE。
- 线性表的当前长度：length。
数据长度和线性表长度的区别
- 数据长度：是存放线性表的存储空间的长度，存储分配后这个量是一般不变的。
- 线性表长度：线性表中的数据元素的个数。随着元素的插入、删除操作的变化而变化。
- 注意：线性表的长度总是小于等于数组的长度。
地址的计算方法
地址：存储器中的每个存储单元都有自己的编号，这个编号称为地址。（内存地址）
计数：线性表从 1 开始，而 c 语言中的数组从 0 开始。
locate：获得存储位置的函数（假设每个数据元素占 c 个存储单元），参考公式：
- locate(Ai + n) = locate(Ai) + n*c;
- locate(Ai) = locate(A1) + (i-1)*c;
通过上述公式可以随时算出线性表中任意位置的地址，且都是相同时间。
由此可知时间复杂度为 O(1)。
每个位置存、取数据，都是相等的时间，也就是一个常数。
通常把具有这一特点的存储结构称为 随机存取结构。
顺序存储结构的插入与删除
注意：
- 线性表的第 i 个数是从 1 开始计数的，而数组小标是从 0 开始的。
- 分清应该是 i 还是 i-1。
- 注意指针丢失问题。
增删时间复杂度分析：
- 最好的情况：插入或删除尾部：O(1)
- 最坏情况：插入或删除头部：O(n)
- 平均情况：(n-1)/2
线性表顺序存储结构的优缺点
优点：
- 无须为表示表中元素之间的逻辑关系而增加额外的存储空间。
- 可以快速的存取表中的任一位置的元素。
缺点：
- 插入和删除操作需要搬移大量数据。
- 当线性表长度变化较大时，难以确定存储空间的容量。
- 容易造成存储空间的碎片。
线性表的链式存储结构
链式存储结构的定义
特点：
-
用一组任意的存储单元存储线性表的数据元素，这组存储单元可以连续，也可以不连续。（顺序存储要求地址连续）
-
空间、逻辑负担：顺序结构中，每个数据元素只需要存数据元素的信息，而链式结构中，还需要存储它的后继元素的存储地址。
- 即是顺序存储结构的前驱后继是地址相邻。
- 而链式存储结构的前驱后继是靠指针指向。
头指针与头结点的异同
头指针：
- 头指针是指指向第一个结点的指针。若链表有头结点（哨兵），则是指向头结点的指针。
- 头指针具有表示作用，所以通常当链表的句柄。头指针也冠以链表的名字。
- 无论链表是否为空，头指针都不为空，因为它指向链表的实体。
- 头指针是链表的必要元素。
头结点：
- 头结点是为了操作的统一和方便而设立的，就是不用考虑无结点时的链表操作。
- 头结点放在第一个元素的结点之前，其数据域一般无意义。可以添加一些自定义的数据，用于管理链表。可以扩展成这个链表的控制块。
- 头结点不是链表的必要元素。
链式存储结构的数据结构
双向非通用循环链表相关节点：
- 根节点可以扩展成链表的控制块。
- 在节点中挂载信息。信息结构可自定义。
/* mini 节点结构体 */
struct LIST_MINI_ITEM_LSS_T
{
/* 指向，（根据单、双链表删减以下内容） */
struct node *pxPrevious; // 上一个节点
struct node *pxNext; // 下一个节点
/* 节点属性，（根据个人需求增减以下内容） */
uint32_t xItemValue; // 记号值，在双向链表中为最大值
};
typedef struct LIST_MINI_ITEM_LSS_T ListMiniItem_t;
/* 链表结构体，即根节点 */
struct LIST_LSS_T
{
/* 节点属性，（根据个人需求增减以下内容） \*/
uint32_t uxNumberOfItems; // 节点数，统计粘附在本链表上的节点数
struct LIST_ITEM_LSS_T * pxIndex; // 索引，链表索引，指向链表中的某个节点
struct LIST_MINI_ITEM_LSS_T xListEnd; // 链表根节点
};
typedef struct LIST_LSS_T List_t;
/*
* The linked list node
*/
struct LIST_ITEM_LSS_T
{
struct LIST_ITEM_LSS_T * pxNext; // 下一个
struct LIST_ITEM_LSS_T * pxPrevious; // 上一个
/* 节点属性，（根据个人需求增减以下内容） */
uint32_t xItemValue; // 记号值，一般用于排序
void * pvOwner; // 挂钩，即携带的信息
void * pvContainer; // 归属，即属于哪一个链表
};
typedef struct LIST_ITEM_LSS_T listItem_t;
双向通用循环链表相关节点：
- 把节点放置待结构体中即可。
- 链表的每个元素类型一致。
/*
* Structure of a node in a doubly linked list.
*/
typedef struct LSS_LIST
{
struct LSS_LIST *pstPrev; /**< Current node's pointer to the previous node*/
struct LSS_LIST *pstNext; /**< Current node's pointer to the next node*/
} LSS_LIST;
typedef struct LSS_LIST listItem_t;
时间复杂度分析
- 单链表的插入和删除：首先是遍历查找第 i 个元素，其次是插入和删除操作。
- 所以时间复杂度是 O(n)。
- 增删元素时，顺序存储结构需要挪动数据，O(n)。而链式存储结构修改指向的指针 O(1)。
- 综上，对于对元素增删频繁的，链式存储结构比较好。
链表源码参考
顺序存储结构与链式存储结构使用建议
- 若线性表多查找，少插删，宜采用顺序存储结构；若多查删，宜采用单链表结构。
- 若线性表的元素个数变化大或不确定时，宜采用单链表；若确定或事先明确个数，用顺序存储效率更高。
静态链表
问题：C 语言有指针，python 等面向对象的语言有引用。但是有些语言没有指针也没有引用，如何实现链表结构？
解决方案：结合数组&链表。用数组下标代替指针。即是游标实现法。
静态链表的定义
定义：用数组描述的链表叫做静态链表，或曰“游标实现法”。
-
数组的元素都是由两个数据域组成的，data（数据）和 cur（游标）。
-
数组的每个下标都对应一个 data 和一个 cur。
- 数据域 data：用来存放数据元素，也就是我们要处理的数据。
- 游标 cur：相当于单链表中的 next 指针，存放该元素的后继在数组中的下标。
-
备用链表：通常把未被使用的数组元素称为备用链表。（即数组的后面还没填充数据的空闲空间）
-
两个特殊位置：
-
数组第一个元素空间用于存放备用链表的第一个节点。
- space[0].cur 表示备用链表的第一个节点的下标。
- space[0].cur == (max_size - 1) 时表示备用链表已无空间。
-
数组最后一个元素空间用于存放头结点。
- space[max_size-1].cur 表示第一个有效数据元素的下标。
- space[max_size-1].cur == 0 时表示数据链表为空。
-
静态链表的数据结构
/* 线性表的静态链表存储结构 */
typedef struct
{
elem_type data;
int cur; /* 游标(Cursor) ，为0时表示无指向 */
} component_t;
component_t static_link_list[MAX_SIZE];
代码实现
静态链表的实现
/** @file static_list.c
* @brief 简要说明
* @details 详细说明
* @author lzm
* @date 2021-09-05 22:12:22
* @version v1.0
* @copyright Copyright By lizhuming, All Rights Reserved
* @blog https://www.cnblogs.com/lizhuming/
*
**********************************************************
* @LOG 修改日志:
**********************************************************
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
/* 说明：链表操作的索引是 1 起的。 */
/* 线性表的静态链表存储结构 */
#define MAX_SIZE 100
typedef int elem_type;
typedef struct
{
elem_type data;
int cur; /* 游标(Cursor) ，为0时表示无指向 */
}static_list_t;
static_list_t static_list[MAX_SIZE] = {0};
/**
* @name static_list_init
* @brief 将一维数组space中各分量链成一个备用链表，space[0].cur为头指针，"0"表示空指针
* @param
* @retval
* @author lzm
*/
int static_list_init(static_list_t *space)
{
int i = 0;
if(space == NULL)
{
return -1;
}
for (i=0; i<MAX_SIZE-1; i++)
space[i].cur = i+1;
space[MAX_SIZE-1].cur = 0; /* 目前静态链表为空，最后一个元素的cur为0 */
return 0;
}
/**
* @name static_list_malloc
* @brief 从数组备用链表中模拟 malloc 一个数据空间出来
* @param
* @retval 下标
* @author lzm
*/
int static_list_malloc(static_list_t *space)
{
int index = 0;
if(space == NULL)
return -1;
index = space[0].cur;
if(space[0].cur)
space[0].cur = space[index].cur;
return index;
}
/**
* @name static_list_free
* @brief 把一个数据空间放会备用链表中
* @param
* @retval
* @author lzm
*/
int static_list_free(static_list_t *space, int index)
{
if(space == NULL || index <= 0 || index >= MAX_SIZE)
return -1;
space[index].cur = space[0].cur;
space[0].cur = index;
return 0;
}
/**
* @name static_list_length
* @brief
* @param
* @retval
* @author lzm
*/
int static_list_length(static_list_t *space)
{
int cnt = 0;
int index = 0;
if(space == NULL)
return -1;
index = space[MAX_SIZE-1].cur;
while(index)
{
cnt++;
index = space[index].cur;
}
return cnt;
}
/**
* @name static_list_inster
* @brief 在space数据链表中第cur_inster个元素前插入新的元素。（编程技巧：找出前一个便好操作了）
* @param
* @retval
* @author lzm
*/
int static_list_inster(static_list_t *space, int cur_inster, elem_type elem)
{
int i = 0;
int index = 0;
int index_m = 0;
if(space == NULL || cur_inster < 1 || cur_inster > (static_list_length(space) + 1))
return -1;
index_m = static_list_malloc(space);
if(index_m <= 0)
return -1;
space[index_m].data = elem;
index = MAX_SIZE-1;
for(i = 1; i < cur_inster; i++)
index = space[index].cur;
space[index_m].cur = space[index].cur;
space[index].cur = index_m;
return 0;
}
/**
* @name static_list_delete
* @brief 在space数据链表中删除第cur_delete个元素。
* @param
* @retval
* @author lzm
*/
int static_list_delete(static_list_t *space, int cur_delete)
{
int i = 0;
int index = 0;
int index_d = 0;
if(space == NULL)
return -1;
if(space == NULL || cur_delete < 1 || cur_delete > static_list_length(space))
return -1;
index = MAX_SIZE - 1;
for(i = 1; i < cur_delete; i++) // 获取实际需要删除的前一个
index = space[index].cur;
index_d = space[index].cur;
space[index].cur = space[index_d].cur;
static_list_free(space, index_d);
return 0;
}
