数据结构与算法分析(三)
数据结构与算法分析(三)
这一次,我们说一说三种比较简单的数据结构,是一维的,分别是:
1.表
2.栈
3.队列
1.表
对于表而言,当然可以用数组来实现,插入和删除的时候会带来巨大的开销,因此更多的时候,我们都是采用"链表(linked list)"这种形式.
链表有很多变种,但是最基础的,基本功能是相似的,通常为了方便,链表的头(header)我们会放一个哑节点.
我们用ADT的方式实现.
Linked.h
#ifndef LIST_H
#define LIST_H
#include <iostream>
using namespace std;
struct ListNode;
typedef int ElementType;
typedef struct ListNode *PtrToNode;
typedef PtrToNode List;
typedef PtrToNode Position;
List CreateList();
int IsEmpty(List L);
int IsLast(Position P, List L);
Position Find(ElementType X, List L);
void Delete(ElementType X, List L);
Position FindPrevious(ElementType X, List L);
void Insert(ElementType X, List L, Position P);
void DeleteList(List L);
Position Header(List L);
Position First(List L);
void Print(List L);
struct ListNode{
ElementType Element;
Position Next;
};
List CreateList(){
Position P = new ListNode;
P->Next = nullptr;
return P;
}
int IsEmpty(List L){
return L->Next == nullptr;
}
int IsLast(Position P, List L){
return P->Next == nullptr;
}
Position Find(ElementType X, List L){
Position P = L->Next;
while(P != nullptr && P->Element != X){
P = P->Next;
}
return P;
}
void Delete(ElementType X, List L){
Position P = L->Next, tmpCell;
P = FindPrevious(X, L);
if(!IsLast(P, L)){
tmpCell = P->Next;
P->Next = tmpCell->Next;
delete tmpCell;
}
}
Position FindPrevious(ElementType X, List L){
Position P = L;
while(P->Next != nullptr && P->Next->Element != X){
P = P->Next;
}
return P;
}
void Insert(ElementType X, List L, Position P){
Position tmpCell = new ListNode;
tmpCell->Element = X;
tmpCell->Next = P->Next;
P->Next = tmpCell;
}
void DeleteList(List L){
Position P, tmpCell;
P = L->Next;
L->Next = nullptr;
while(P != nullptr){
tmpCell = P->Next;
delete P;
P = tmpCell;
}
}
Position Header(List L){
return L;
}
Position First(List L){
return L->Next;
}
void Print(List L){
Position P = L->Next;
while(P != nullptr){
cout << P->Element << "->";
P = P->Next;
}
cout << "nullptr" << endl;;
}
#endif // LIST_H
我们将所有的操作都放在Linked.h头文件里,如果在程序中想要引用,直接 #include就好.
ADT可分为"数据集"和"操作集",很符合"面向对象"的思想.
数据集:
存放数据,以及下一个结点的地址,
struct Node{
ElementType Element;
Position Next;
};操作集:
1.创建链表CreateList
2.元素插入Insert
3.元素删除Delete
4.查找元素位置Find
5.删除链表DeleteList
特地增加了一个Print(List L)函数,方便测试时候使用.
2.栈
栈也是一种非常常见的数据结构,应用广泛.它的最大特点,在于它的后进先出特性,因此栈通常也被叫做'LIFO'表.栈的实现有两种,可以用链表,也可以用数组,两种方法我都会写,但我更倾向于选择链表这种实现方式,不仅节约空间,而且使用起来比较灵活.
相较于普通的链表,栈无疑具有一些特殊的操作,主要是两个:
进栈(Push)
出栈(Pop)
所谓Push就是把元素压入到栈的顶端,Pop操作就是把栈顶的元素取出来,并返回.
链表实现
Stack.h
#ifndef STACK_H
#define STACK_H
#include <iostream>
using namespace std;
struct StackNode;
typedef struct StackNode *PtrToNode;
typedef PtrToNode Stack;
typedef int ElementType;
int IsEmpty(Stack S);
Stack CreateStack();
void MakeEmpty(Stack S);
void Push(ElementType X, Stack S);
ElementType Top(Stack S);
ElementType Pop(Stack S);
void DisposeStack(Stack S);
void Print(Stack S);
struct StackNode{
ElementType Element;
PtrToNode Next;
};
int IsEmpty(Stack S){
return S->Next == nullptr;
}
Stack CreateStack(){
Stack S = new StackNode;
S->Next = nullptr;
return S;
}
void MakeEmpty(Stack S){
if(S == nullptr){
return;
}else{
while(!IsEmpty(S)){
Pop(S);
}
}
}
void Push(ElementType X, Stack S){
PtrToNode tmpCell = new StackNode;
tmpCell->Element = X;
tmpCell->Next = S->Next;
S->Next = tmpCell;
}
ElementType Top(Stack S){
if(!IsEmpty(S)){
return S->Next->Element;
}
return -1;
}
ElementType Pop(Stack S){
if(!IsEmpty(S)){
ElementType tmp;
PtrToNode firstCell = S->Next;
tmp = firstCell->Element;
S->Next = firstCell->Next;
delete firstCell;
return tmp;
}
return -1;
}
void DisposeStack(Stack S){
PtrToNode P = S->Next, tmp;
S->Next = nullptr;
while(P != nullptr){
tmp = P->Next;
delete P;
P = tmp;
}
}
void Print(Stack S){
PtrToNode P = S->Next;
while(P != nullptr){
cout << P->Element << "->";
P = P->Next;
}
cout << "nullptr" << endl;
}
#endif // STACK_H
这里我依旧添加了一个Print()的函数,方便测试.
数组实现
StackArray.h
#ifndef STACKARRAY_H
#define STACKARRAY_H
#include <iostream>
using namespace std;
typedef int ElementType;
struct StackRecord;
typedef struct StackRecord *Stack;
int IsEmpty(Stack S);
int IsFull(Stack S);
Stack CreateStack(int MaxElements);
void DisposeStack(Stack S);
void MakeEmpty(Stack S);
void Push(ElementType X, Stack S);
ElementType Top(Stack S);
ElementType Pop(Stack S);
void Print(Stack S);
struct StackRecord{
int Capacity;
int TopOfStack;
ElementType *Array;
};
int IsEmpty(Stack S){
return S->TopOfStack == -1;
}
int IsFull(Stack S){
return S->TopOfStack == S->Capacity - 1;
}
Stack CreateStack(int MaxElements){
Stack S = new StackRecord;
S->Capacity = MaxElements;
S->Array = new ElementType[MaxElements];
MakeEmpty(S);
return S;
}
void DisposeStack(Stack S){
delete S->Array;
delete S;
}
void MakeEmpty(Stack S){
S->TopOfStack = -1;
}
void Push(ElementType X, Stack S){
if(IsFull(S)){
return;
}else{
S->Array[++S->TopOfStack] = X;
}
}
ElementType Top(Stack S){
if(IsEmpty(S)){
return -1;
}else{
return S->Array[S->TopOfStack];
}
}
ElementType Pop(Stack S){
if(IsEmpty(S)){
return -1;
}else{
return S->Array[S->TopOfStack--];
}
}
void Print(Stack S){
if(!IsEmpty(S)){
for(int i = 0; i <= S->TopOfStack; ++i){
cout << S->Array[i] << "->";
}
}
cout << endl;
}
#endif // STACKARRAY_H
3.队列
与栈有所不同,队列是一种"先进先出"的数据结构,可以理解为排队:谁先到.就先为谁服务.队列会有一些跟高级的用法,这些后面才会涉及到,这里我们仅仅实现最基础的部分,同样可以分两种形式实现:数组和链表,具体应用中如何使用因人而异,如果数据量不是特别大的话,用数组实现也许会更加清楚直接一些.
ADT这种形式对于数据结构的封装,无疑减轻了我们调用时的难度.
QueueArray.h
#ifndef QUEUEARRAY_H
#define QUEUEARRAY_H
#include <iostream>
using namespace std;
typedef int ElementType;
struct QueueRecord;
typedef struct QueueRecord *Queue;
int IsEmpty(Queue Q);
int IsFull(Queue Q);
Queue CreateQueue(int MaxElements);
void DisposeQueue(Queue Q);
void MakeEmpty(Queue Q);
ElementType Dequeue(Queue Q);
ElementType Front(Queue Q);
void Enqueue(ElementType X, Queue Q);
static int Succ(int Value, Queue Q);
void Print(Queue Q);
struct QueueRecord{
int Capacity;
int Front;
int Rear;
int Size;
ElementType *Array;
};
int IsEmpty(Queue Q){
return Q->Size == 0;
}
int IsFull(Queue Q){
return Q->Size == Q->Capacity;
}
Queue CreateQueue(int MaxElements){
Queue Q = new QueueRecord;
Q->Capacity = MaxElements;
Q->Array = new ElementType[MaxElements];
MakeEmpty(Q);
return Q;
}
void MakeEmpty(Queue Q){
Q->Size = 0;
Q->Front = 0;
Q->Rear = -1;
}
static int Succ(int Value, Queue Q){
if(++Value == Q->Capacity){
Value = 0;
}
return Value;
}
void Enqueue(ElementType X, Queue Q){
if(IsFull(Q)){
return;
}else{
Q->Rear = Succ(Q->Rear, Q);
Q->Array[Q->Rear] = X;
++Q->Size;
}
}
ElementType Dequeue(Queue Q){
ElementType temp;
if(IsEmpty(Q)){
return -1;
}else{
temp = Q->Array[Q->Front];
Q->Front = Succ(Q->Front, Q);
--Q->Size;
}
return temp;
}
ElementType Front(Queue Q){
if(IsEmpty(Q)){
return -1;
}else{
return Q->Array[Q->Front];
}
}
void DisposeQueue(Queue Q){
delete Q->Array;
delete Q;
}
void Print(Queue Q){
int i, j = Q->Front;
for(i = 0; i < Q->Size; ++i){
cout << Q->Array[j] << "->";
j = Succ(j, Q);
}
cout << endl;
}
#endif // QUEUEARRAY_H
Queue.h
#ifndef QUEUE_H
#define QUEUE_H
#include <iostream>
using namespace std;
typedef int ElementType;
struct QueueNode;
typedef struct QueueNode *PtrToNode;
typedef PtrToNode Queue;
typedef PtrToNode Position;
int IsEmpty(Queue Q);
Queue CreateQueue();
void DisposeQueue(Queue Q);
void MakeEmpty(Queue Q);
ElementType Dequeue(Queue Q);
ElementType Front(Queue Q);
void Enqueue(ElementType X, Queue Q);
void Print(Queue Q);
struct QueueNode{
ElementType Element;
Position Next;
};
int IsEmpty(Queue Q){
return Q->Next == nullptr;
}
Queue CreateQueue(){
Queue Q = new QueueNode;
Q->Next = nullptr;
return Q;
}
void Enqueue(ElementType X, Queue Q){
Position P = Q, tmpCell;
while(P->Next != nullptr){
P = P->Next;
}
tmpCell = new QueueNode;
tmpCell->Element = X;
tmpCell->Next = P->Next;
P->Next = tmpCell;
}
ElementType Dequeue(Queue Q){
if(IsEmpty(Q)){
return -1;
}else{
Position P = Q->Next;
ElementType temp;
temp = P->Element;
Q->Next = P->Next;
delete P;
return temp;
}
}
ElementType Front(Queue Q){
if(IsEmpty(Q)){
return -1;
}else{
return Q->Next->Element;
}
}
void DisposeQueue(Queue Q){
Position P = Q->Next, tmpCell;
Q->Next = nullptr;
while(P != nullptr){
tmpCell = P->Next;
delete P;
P = tmpCell;
}
}
void Print(Queue Q){
Position P = Q->Next;
while(P != nullptr){
cout << P->Element << "->";
P = P->Next;
}
cout << endl;
}
#endif // QUEUE_H
总结:三种数据结构:链表,栈,队列三种数据结构的实现均已完成.这三种数据结构或许在计算机科学中是最基本的三种数据机构了,应用广泛,栈可用来记录过程和函数调用,以及递归的实现,队列可用以处理计算机网络的访问分配,等等.下一节我们会接触到树这种更为复杂,也更为有意思的数据结构.
却道，此心安处是吾乡
