【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

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【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

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前言

一、数组(Array)

1.1优点

1.2缺点

1.3适用场景

二、链表(Linked List)

2.1优点

2.2缺点

2.3适用场景

三、栈(Stack)

3.1优点

3.2缺点

3.3适用场景

四、队列(Queue)

4.1优点

4.2缺点

4.3适用场景


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【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

前言

数据结构指的是计算机科学中用来组织和存储数据的方式,涉及数据元素之间的关系及其操作定义。数据结构可以分为线性结构和非线性结构。其中,线性结构是指数据元素之间存在一对一的关系,包括数组、链表、栈和队列等。


一、数组(Array)

数组是一种在内存中连续存储多个相同类型元素的数据结构。数组通过索引(通常从0开始)来访问每个元素。

示例代码(以下所有代码都是用C语言实现的)

#include 
#define SIZE 5
int main() {
    // 创建一个整数数组
    int arr[SIZE] = {1, 2, 3, 4, 5};
    // 访问数组元素
    printf("Element at index 0: %d\n", arr[0]);  // 输出: 1
    printf("Element at index 2: %d\n", arr[2]);  // 输出: 3
    // 修改数组元素
    arr[1] = 10;
    printf("Updated array: ");
    for (int i = 0; i  

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【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

1.1优点

①        快速访问:由于元素在内存中连续存储,可以通过索引直接访问任何元素,时间复杂度为 O(1)。

②        简单:实现简单直观,是最基础的数据结构之一。

1.2缺点

①        固定大小:数组创建时大小固定,通常无法动态扩展,需要预先确定容量。

②        插入和删除操作慢:在数组中间或开头插入或删除元素需要移动其他元素,时间复杂度为 O(n)。

1.3适用场景

数组适合于元素类型固定、需要频繁访问元素且不需要经常插入或删除元素的场景。

二、链表(Linked List)

链表是一种非连续、非顺序的数据结构,由节点组成,每个节点包含数据和指向下一个节点的指针(或引用)。根据指针的指向,链表能形成不同的结构,例如单链表,双向链表,循环链表等。

示例代码

#include 
#include 
// 定义链表节点结构
typedef struct Node {
    int data;
    struct Node* next;
} Node;
// 创建一个新的节点
Node* create_node(int data) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));  // 分配内存
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;
    return new_node;
}
// 向链表末尾添加节点
void append(Node** head_ref, int new_data) {
    Node* new_node = create_node(new_data);
    Node* last = *head_ref;
    if (*head_ref == NULL) {
        *head_ref = new_node;
        return;
    }
    while (last->next != NULL) {
        last = last->next;
    }
    last->next = new_node;
}
// 打印链表
void print_list(Node* node) {
    while (node != NULL) {
        printf("%d -> ", node->data);
        node = node->next;
    }
    printf("NULL\n");
}
// 释放链表内存
void free_list(Node* node) {
    Node* temp;
    while (node != NULL) {
        temp = node;
        node = node->next;
        free(temp);
    }
}
int main() {
    Node* head = NULL;
    
    // 创建链表
    append(&head, 1);
    append(&head, 2);
    append(&head, 3);
    append(&head, 4);
    
    // 打印链表
    printf("Linked List: ");
    print_list(head);
    
    // 释放链表
    free_list(head);
    
    return 0;
}

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【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

2.1优点

①        动态大小:链表可以动态地分配内存空间,不像数组需要预先分配固定大小的空间。

②        插入和删除快速:在链表中插入和删除元素不需要移动其他元素,只需要改变指针指向,时间复杂度为 O(1)。

2.2缺点

①        随机访问慢:链表的元素不连续存储,访问特定位置的元素需要从头开始遍历,时间复杂度为 O(n)。

②        额外空间:每个节点除了存储数据外,还需存储指针,占用较多的内存空间。

2.3适用场景

链表适合于需要频繁插入和删除操作、内存空间不确定或者不需要随机访问元素的场景。

三、栈(Stack)

栈是一种特殊的线性表,具有后进先出(LIFO,Last In First Out)的特点,只允许在一端进行插入和删除操作。这一端被称为栈顶,另一端称为栈底。

示例代码

#include 
#include 
#define MAX_SIZE 100  // 栈的最大容量
// 定义栈结构体
typedef struct {
    int items[MAX_SIZE];
    int top;  // 栈顶指针
} Stack;
// 初始化栈
void init(Stack* stack) {
    stack->top = -1;  // 栈顶指针初始化为-1,表示栈为空
}
// 判断栈是否为空
int is_empty(Stack* stack) {
    return stack->top == -1;
}
// 判断栈是否已满
int is_full(Stack* stack) {
    return stack->top == MAX_SIZE - 1;
}
// 入栈操作
void push(Stack* stack, int item) {
    if (is_full(stack)) {
        printf("Stack overflow\n");
        return;
    }
    stack->items[++stack->top] = item;  // 栈顶指针先加一,然后添加元素
}
// 出栈操作
int pop(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack underflow\n");
        return -1;  // 返回-1表示出栈失败
    }
    return stack->items[stack->top--];  // 返回栈顶元素,并将栈顶指针减一
}
// 查看栈顶元素
int peek(Stack* stack) {
    if (is_empty(stack)) {
        printf("Stack is empty\n");
        return -1;  // 返回-1表示栈为空
    }
    return stack->items[stack->top];  // 仅返回栈顶元素,不改变栈的状态
}
// 获取栈的大小
int size(Stack* stack) {
    return stack->top + 1;
}
int main() {
    Stack stack;
    init(&stack);  // 初始化栈
    
    push(&stack, 10);
    push(&stack, 20);
    push(&stack, 30);
    printf("Top element is %d\n", peek(&stack));  // 输出: 30
    printf("Stack size is %d\n", size(&stack));   // 输出: 3
    printf("Popped element is %d\n", pop(&stack));  // 输出: 30
    printf("Popped element is %d\n", pop(&stack));  // 输出: 20
    printf("Top element is %d\n", peek(&stack));  // 输出: 10
    return 0;
}

运行截图

【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

3.1优点

①        操作简单:只允许在栈顶进行插入和删除操作,实现简单直观。

②        内存管理方便:栈的内存管理由系统自动处理,无需程序员手动管理。

3.2缺点

①        容量限制:栈的大小受限于系统内存的大小,可能会造成栈溢出。

②        不支持随机访问:由于只能操作栈顶元素,无法直接访问栈中间的元素。

3.3适用场景

①        递归算法(如深度优先搜索)

②        表达式求值(如逆波兰表达式)

③        括号匹配(如编译器的语法分析)

④        历史记录(如浏览器前进后退功能)

⑤        撤销操作(如文本编辑器的撤销功能)

四、队列(Queue)

队列是一种具有先进先出(FIFO,First In First Out)特性的数据结构,允许在一端插入(enqueue)元素,另一端删除(dequeue)元素。通常用于需要按顺序处理数据的场景。

示例代码

#include 
#include 
#define MAX_SIZE 100  // 队列的最大容量
// 定义队列结构体
typedef struct {
    int items[MAX_SIZE];
    int front;  // 队头指针
    int rear;   // 队尾指针
    int size;   // 队列当前元素个数
} Queue;
// 初始化队列
void init(Queue* queue) {
    queue->front = 0;
    queue->rear = -1;
    queue->size = 0;
}
// 判断队列是否为空
int is_empty(Queue* queue) {
    return queue->size == 0;
}
// 判断队列是否已满
int is_full(Queue* queue) {
    return queue->size == MAX_SIZE;
}
// 入队操作
void enqueue(Queue* queue, int item) {
    if (is_full(queue)) {
        printf("Queue overflow\n");
        return;
    }
    queue->rear = (queue->rear + 1) % MAX_SIZE;  // 环形队列实现
    queue->items[queue->rear] = item;
    queue->size++;
}
// 出队操作
int dequeue(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue underflow\n");
        return -1;  // 返回-1表示出队失败
    }
    int dequeued_item = queue->items[queue->front];
    queue->front = (queue->front + 1) % MAX_SIZE;  // 环形队列实现
    queue->size--;
    return dequeued_item;
}
// 查看队头元素
int peek(Queue* queue) {
    if (is_empty(queue)) {
        printf("Queue is empty\n");
        return -1;  // 返回-1表示队列为空
    }
    return queue->items[queue->front];
}
// 获取队列的大小
int size(Queue* queue) {
    return queue->size;
}
int main() {
    Queue queue;
    init(&queue);  // 初始化队列
    
    enqueue(&queue, 10);
    enqueue(&queue, 20);
    enqueue(&queue, 30);
    printf("Front element is %d\n", peek(&queue));  // 输出: 10
    printf("Queue size is %d\n", size(&queue));     // 输出: 3
    printf("Dequeued element is %d\n", dequeue(&queue));  // 输出: 10
    printf("Dequeued element is %d\n", dequeue(&queue));  // 输出: 20
    printf("Front element is %d\n", peek(&queue));  // 输出: 30
    return 0;
}

运行截图

【数据结构】线性结构——数组、链表、栈和队列

4.1优点

①        按序处理:队列确保元素按照入队的顺序处理,符合先进先出的逻辑。

②        操作简单:队列仅支持在队尾插入和队头删除操作,设计和实现都较为简单。

③        资源管理:队列的大小可以动态增长,灵活适应不同数据量的需求。

4.2缺点

①        固定容量:队列的大小通常是固定的,可能会导致队列满时无法继续入队(队列溢出)。

②        不支持随机访问:只能访问队头元素,不能直接访问队列中间的元素。

4.3适用场景

①        任务调度:用于任务按顺序执行,例如操作系统中的进程调度。

②        消息传递:用于实现异步消息传递机制,例如消息队列中间件。

③        广度优先搜索:在图的遍历中,广度优先搜索算法需要使用队列来管理遍历的节点顺序。

④        缓冲:用于平衡生产者和消费者之间的速度差异,例如生产者消费者模型中的缓冲区。

⑤        网络数据包处理:在网络数据传输中,使用队列来管理接收到的数据包。


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