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环球热点评！【技术积累】数据结构中的基本概念【一】

2023-06-21 16:00:26 来源：博客园

数据结构的定义是什么？

数据结构是计算机科学中的一个重要概念，是指在计算机中组织和存储数据的方式。其定义可以分为以下两方面：

1. 逻辑定义：数据结构是指数据元素之间的关系和操作的定义。

(相关资料图)

它包括数据对象、数据元素、数据关系和基本操作等几个方面。其中，数据对象是指具有相同性质的数据元素的集合，数据元素是数据对象中的基本单位，数据关系是指数据元素之间的逻辑联系，基本操作是对数据元素进行的基本操作，例如插入、删除、查找等。

2. 物理定义：数据结构是指在计算机中对存储数据的方式。

它包括数据对象在计算机中的存储方式以及存储数据的具体存储单元、编码方式、访问方式等。在计算机中，数据结构可以表示为各种数据类型、数组、链表、树、图等等。不同的数据结构在计算机中的存储方式和访问效率也有所不同，因此在实际应用中需要根据实际需求选择合适的数据结构。

总之，数据结构定义了数据元素之间的关系和基本操作，以及在计算机中组织和存储数据的方式，是计算机科学中的重要概念。

数据结构的作用是什么？

数据结构作为计算机科学中的一个基本和必不可缺的概念，具有以下几个主要作用：

1. 提供存储方式和访问方法：不同类型的数据结构能够提供不同的存储方式和访问方法，根据具体应用需求选择合适的数据结构可以提高数据存储和访问的效率。

2. 提高算法效率：良好的数据结构设计可以提高算法的效率，使得程序在运行时更加高效。

3. 管理数据：数据结构可以提供对数据的有效管理。例如，通过合适的数据结构可以快速地检索相关数据、高效地存储大量的数据等。

4. 解决实际问题：数据结构可以帮助我们更好地解决实际问题。例如，根据实际需求选择合适的数据结构可以提高程序的性能，从而满足用户对程序的需求。

5. 组合算法：数据结构可以为算法设计提供基础和素材，同时也是算法设计过程中的重点关注点之一，因为算法设计中的数据结构设计往往影响算法的效率和正确性。

总之，数据结构既是计算机科学的基础理论，也是实际应用中不可或缺的工具。它的设计和使用对于程序的效率、可维护性以及处理实际问题的能力都有着关键的影响。

数据结构和算法的关系

这个问题笔者在学的时候发现有把数据结构和算法分为两门课的，也有合成一门课的，属实把笔者困扰了很久，因此这个问题做一些细节阐述，这里笔者有点强迫症犯了，所以后面的问题有些钻牛角尖，不愿意想太多的同学可以不看，反正不会对整体知识理解有很大影响

数据结构和算法是紧密相关的两个概念，数据结构提供了一种组织和存储数据的方式，而算法是在这些数据上操作的过程。数据结构和算法通常都是作为计算机科学的基础课程而教授的。

数据结构是一种逻辑上的组织方式，可以存储、操作和管理数据。不同的数据结构适用于不同的问题和应用，例如数组、链表、树、图等。通过选择合适的数据结构，可以使算法的执行效率更高。

算法是在数据结构上执行的一系列操作，用于解决特定的问题或实现特定的功能。算法可以用来搜索、排序、加密、压缩等。算法的设计和分析需要具备数学和计算机科学知识，以确保正确性和效率。

数据结构和算法的关系密切，正确的数据结构的选择可以提高算法的效率和性能，而算法本身也可以影响到数据结构的设计和实现。因此，在学习和应用数据结构和算法时，需要深入理解它们之间的联系和相互作用，以达到最佳的效果。

Q1：可不可以说在所有情况下数据结构是使用算法的前提和基础

可以说在所有情况下，数据结构都是使用算法的前提和基础。

数据结构提供了一种组织和存储数据的方式，而算法是在这些数据上操作的过程。在算法设计和实现中，选择正确的数据结构至关重要，它可以使算法更有效、更快速和更可靠。

对于任何特定的问题或应用，选择合适的数据结构是优化算法性能、减少计算和内存使用的关键。例如，如果需要快速查找特定的数据项，可以使用二叉搜索树、哈希表等更高效的数据结构。如果需要对数据进行排序，则可以使用快速排序、归并排序等算法，这些算法都需要基于特定类型的数据结构。

因此，在所有的情况下，数据结构都是使用算法的基础。无论何时，选择适合问题或应用的数据结构是设计和实现高效算法的第一步。

Q2：有没有只使用算法不使用数据结构的情况

实际上，算法和数据结构是紧密相关的，通常不可能在完全不使用数据结构的情况下进行算法设计和实现。即使在算法中不显式地使用数据结构，也会隐式地使用一些基本的数据结构。

例如，一些简单的算法可能只涉及基本的数据类型（如整数、浮点数等），没有使用显式的数据结构。然而，这些算法实际上仍然使用了数据结构，如使用数组保存数据、使用指针进行内存操作等。所以即使算法中没有明显使用某种数据结构，仍然离不开数据结构。

此外，有些算法可以使用内存或寄存器来存储信息，而不是使用数据结构。这种情况相对较少，通常只在实现特定的特殊用途算法时使用，而不是通用的算法。

因此，虽然在某些情况下算法中可能不会显式地使用数据结构，但数据结构仍然是算法设计和实现的必要基础之一。

Q3：基础的问题系统自带的数据结构是否够用

对于基础问题，系统自带的数据结构通常是可以满足需要的。例如，对于数组、字符串、栈、队列、链表等基础数据结构，编程语言通常提供了内置的支持。这些数据结构可以很好地支持大多数基础问题的解决。

除此之外，许多常见的算法问题，例如排序、搜索、图论等，也都可以使用系统自带的标准数据结构和算法库来实现。

当然，随着问题的复杂程度增加，可能需要使用更高级的数据结构和算法。此时，可能需要自定义数据结构或者使用第三方库来支持算法实现。自定义数据结构可以帮助解决不同类型的问题，并在解决问题时提高算法的效率。

总之，系统自带的数据结构通常可以满足基础的问题和算法实现，但在解决复杂问题时可能需要使用更高级的数据结构和算法，或自定义数据结构来支持算法实现。

Q4：什么情况下会写自定义的数据结构

自定义数据结构通常在以下情况下会被编写：

系统自带的数据结构不能很好地解决问题。例如，某些算法需要使用特殊的数据结构来支持更高效的实现，或者需要存储比较复杂的数据类型。
需要将多个现有的数据结构组合成更复杂的结构来支持算法实现。例如，需要将堆、哈希表和链表等数据结构组合在一起实现某种复杂的数据结构。
需要应对特定应用场景或专业领域的需求。例如，在计算机图形学等领域中，经常需要使用自定义数据结构来表示和操作特定的几何模型或算法。
需要将某种通用数据结构进行适应性的改变，以适应特定的应用场景。例如，在某些算法中需要使用自定义的树来支持特殊的查询操作，而不是使用标准的树结构。

总之，自定义数据结构通常是在特定问题或者应用领域需要满足特定需求的情况下编写。当标准的数据结构不能直接满足需求时，可以考虑自定义数据结构。但在编写自定义数据结构时，需要慎重考虑各种元素的结构和性质，以保证其正确性和高效性。

笔者个人观点

所以在笔者眼里看来，像链表，字符串，集合等这些其实像Java语言他们本身就系统自带，之所以教科书上还用源代码写给你看是让你理解原理，在实际刷题中，未必需要搞得这么麻烦

就好比Java中排序根本用不着每次花力气写个冒泡排序，直接用Arrays.sort就行了，这就涉及到编程语言和封装思想了，这些留在其他合集中讨论

数据结构和数据库之间有什么关系？

数据结构是一种用于组织和管理数据的基本方法，包括数组、链表、栈、队列、树、图等。数据库是一个用于管理和存储数据的系统，它的目的是为了实现数据的高效组织、存储、管理和检索。数据结构和数据库之间的关系在于，数据库通常使用一些特定的数据结构和算法来实现数据的存储和管理，以及索引和查询等功能。例如，数据库可以使用B树、哈希表、堆等数据结构来快速访问和检索数据，同时还可以使用各种算法来优化查询性能。

此外，数据库管理系统（DBMS）通常具有许多数据结构和算法库，可以支持数据结构的选择和优化查询性能。例如，DBMS可以自动选择最优的查询计划，这意味着它将选择最有效的算法和数据结构来处理查询，以提高查询性能。

总之，数据结构和数据库是密切相关的，数据库系统使用数据结构和算法来实现数据管理和查询，而数据结构和算法本身也可以用于优化数据管理和访问性能，以及数据库查询。

数据结构和操作系统之间有什么关系？

数据结构和操作系统之间的关系非常密切，因为操作系统的主要功能之一就是管理计算机的内存和进程，而数据结构是实现这些管理任务所必需的工具。

操作系统需要使用数据结构来管理和操作内存，例如分配和释放内存、内存的虚拟化和分页，以及缓存和调度算法等。常见的数据结构包括队列、堆栈、链表、散列表、树和图等，这些数据结构可以用于实现操作系统中的各种功能。

操作系统还使用数据结构来管理和调度进程。例如，操作系统可以使用进程控制块（PCB）数据结构来跟踪进程的状态和信息，以及使用调度算法来确定进程何时以及如何运行。另一个例子是文件系统，操作系统可以使用B树或B+树等数据结构来管理文件和目录，以实现快速的文件访问和搜索。

总之，数据结构是实现操作系统功能所必需的基本工具，操作系统需要使用各种不同的数据结构来管理计算机的内存和进程，以及实现文件系统等功能。因此，了解数据结构对于理解操作系统的工作原理和优化操作系统非常重要。

以上两个问题也说明了数据结构在计算机里其实无处不在，因此作为基础非常重要，不要简单的认为数据结构只是为了算法服务的

数据结构的分类

数据结构按照不同的特点可以分为多种类型，常见的分类方法有以下几种：

线性结构：线性结构是指数据元素之间只有一种线性关系，即前驱后继关系。常见的线性结构有线性表、栈、队列、串等。
树形结构：树形结构是指数据元素之间存在一种一对多的层次关系，每个节点可以有多个子节点。常见的树形结构有二叉树、B树、AVL树等。
图形结构：图形结构是指数据元素之间没有固定的层次关系，在这种结构中，每个元素都可以与其他元素有关系。常见的图形结构有无向图、有向图等。
文件结构：文件结构是指将结构化数据存储到文件中，例如，顺序文件、索引文件、链式文件等。
集合结构：集合结构是指不同元素之间没有特定的关系，只是简单的归为一个集合。常见的集合结构有哈希表、位图、布隆过滤器等。

需要注意的是，不同的分类方法可能存在重叠，例如，一些树形结构中也可以看做是图形结构的一部分。

但是，按照不同的特点进行分类可以使我们更加清晰地理解数据结构的概念和应用。

笔者先前还查到有拓扑结构等，在这里先不做归类，以后再补充

树形结构和图形结构也可以归类为非线性结构

总而言之，数据结构的分类是为了便于研究和应用。不同的分类方法可以反映出数据结构的不同特点和应用场景。

线性结构有哪些

【了解即可，不用记，合集后面的内容会针对每个结构详细介绍】

数据结构中的线性结构是指数据元素之间存在一种“一对一”的线性关系，即每个元素只与它前面和后面的元素有关系，形成一条直线的结构。常见的线性结构有以下几种：

数组：数组是一种最简单的数据结构，所有元素存储在一段连续的存储空间中，每个元素可以通过一个下标来访问，具有随机访问的特性。数组的插入和删除操作比较低效。
链表：链表是一种动态数据结构，它可以动态地分配内存空间，不需要一开始就确定大小。它由若干个结点组成，每个结点包含一个元素和一个指向下一个结点的指针。链表支持快速插入和删除操作，但随机访问元素需要遍历整个链表。
栈：栈是一种“后进先出”的数据结构，只能在栈顶进行插入和删除操作。栈可以用来实现函数调用、表达式求值、括号匹配等。
队列：队列是一种“先进先出”的数据结构，只能在队列尾进行插入操作，在队列头进行删除操作。队列可以用来实现广度优先搜索、任务调度等。

以上这些线性结构在实际开发中都有着广泛的应用，不同的数据结构适用于不同的场景。

以下是一个链表的例子，使用伪代码表示：

// 定义链表节点结构体struct Node {    int data; // 数据域    Node* next; // 指针域，指向下一个节点};// 创建一个链表Node* createLinkedList() {    int n; // 链表长度    cin >> n;    Node* head = new Node; // 新建头节点    head->next = nullptr; // 头节点的指针域为空    Node* tail = head; // 初始化尾节点为头节点    for (int i = 0; i < n; i++) {        int x; // 输入数据        cin >> x;        Node* p = new Node; // 新建一个节点        p->data = x; // 设置节点的数据域        p->next = nullptr; // 初始化指针域为空        tail->next = p; // 将新节点插入到尾节点之后        tail = p; // 更新尾节点    }    return head; // 返回头节点指针}// 遍历链表void traverseLinkedList(Node* head) {    Node* p = head->next; // 获取第一个节点    while (p != nullptr) { // 当节点不为空时        cout << p->data << " "; // 输出节点的数据        p = p->next; // 指向下一个节点    }}

这个伪代码创建了一个链表，并输出链表中的所有元素。通过这个例子，可以更加清晰地理解链表的操作过程和实现方法。

树形结构有哪些

【了解即可，不用记，合集后面的内容会针对每个结构详细介绍】

树形结构是一种非线性的数据结构，它由若干个节点和若干条边组成，具有一个根节点和一些子树。树形结构可以用来描述层次结构，例如计算机文件系统、组织机构、家族关系等。下面是一些常见的树形结构：

二叉树：每个节点最多有两个子节点的树形结构，分为满二叉树、完全二叉树、平衡二叉树、二叉搜索树等。
多叉树：每个节点可以有多个子节点的树形结构，也称为普通树。
线段树：主要用于区间查询，每个节点表示一个区间，可以通过将区间递归划分成更小的区间来实现区间查询。
堆：特殊的完全二叉树，适用于实现优先队列和堆排序等算法。
字典树：用于快速检索字符串，每个节点表示一个字符，从根节点到叶子节点组成一个字符串。
并查集：通过维护集合的关系，实现快速查找、合并、判断两个元素是否在同一集合中等操作。
AVL树、红黑树：常用于平衡二叉树的实现，保证了二叉搜索树操作的时间复杂度始终为O(logn)。

以下是一个二叉树的伪代码示例：

// 定义二叉树节点Node:  left  // 左子节点  right  // 右子节点  data  // 数据// 初始化根节点root = Node(data=root_data, left=NULL, right=NULL)// 插入新节点Insert(node, data):  if node is NULL:    node = Node(data=data, left=NULL, right=NULL)  else if data <= node.data:    node.left = Insert(node.left, data)  else:    node.right = Insert(node.right, data)  return node// 遍历二叉树Traversal(node):  if node is NULL:    return  Traversal(node.left)  print node.data  Traversal(node.right)// 示例root = Node(data=5, left=NULL, right=NULL)Insert(root, 3)Insert(root, 8)Insert(root, 2)Insert(root, 4)Insert(root, 7)Insert(root, 9)Traversal(root)// 输出：2 3 4 5 7 8 9

图形结构有哪些

有向图（Directed Graph）：有向图是由一些顶点和边组成，每条边有一个方向。如果存在一条从顶点 A 到顶点 B 的有向边，那么 A 就是 B 的直接前驱，B 就是 A 的直接后继。有向图可以表示多种现实情形，比如互相之间有影响关系的事件、任务或者流程等。在有向图中，如果两个点之间存在双向的边，则称为强连通图。
无向图（Undirected Graph）：无向图是由一些顶点和边组成，每条边没有方向。如果存在一条从顶点 A 到顶点 B 的无向边，则 A 和 B 互为相邻顶点。无向图可以表示多种现实情形，比如物品之间的配对、社交网络中的朋友关系等。在无向图中，如果两个点之间存在双向的边，则称为弱连通图。

以下是一个简单的有向图的伪代码表示：

// 顶点集合vertices = {A, B, C, D, E}// 边集合（有向边）edges = {(A, B), (A, C), (B, C), (B, D), (C, E), (D, E)}// 初始化有向图graph = new directed graph(vertices, edges)// 打印有向图的所有顶点和边for vertex in vertices:    print(vertex)for edge in edges:    print(edge)

上述伪代码表示了一个包含 5 个顶点（A, B, C, D, E）和 6 条有向边的有向图。其中，顶点集合和边集合可以自行定义。在实际的编写中，需要根据具体的需求来实现对有向图的定义、添加节点等操作。

关键词：