數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法

　　1 算法

　　算法：是指解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述。

　　算法不等于程序，也不等計(jì)算機(jī)方法，程序的編制不可能優(yōu)于算法的設(shè)計(jì)。

　　算法的基本特征：是一組嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囟�義運(yùn)算順序的規(guī)則，每一個(gè)規(guī)則都是有效的，是明確的，此順序?qū)⒃谟邢薜拇螖?shù)下終止。特征包括：

　　(1)可行性;

　　(2)確定性，算法中每一步驟都必須有明確定義，不充許有模棱兩可的解釋，不允許有多義性;

　　(3)有窮性，算法必須能在有限的時(shí)間內(nèi)做完，即能在執(zhí)行有限個(gè)步驟后終止，包括合理的執(zhí)行時(shí)間的含義;

　　(4)擁有足夠的情報(bào)。

　　算法的基本要素：一是對數(shù)據(jù)對象的運(yùn)算和操作;二是算法的控制結(jié)構(gòu)。

　　指令系統(tǒng)：一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能執(zhí)行的所有指令的集合。

　　基本運(yùn)算和操作包括：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸。

　　算法的控制結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)。

　　算法基本設(shè)計(jì)方法：列舉法、歸納法、遞推、遞歸、減斗遞推技術(shù)、回溯法。

　　算法復(fù)雜度：算法時(shí)間復(fù)雜度和算法空間復(fù)雜度。

　　算法時(shí)間復(fù)雜度是指執(zhí)行算法所需要的計(jì)算工作量。

　　算法空間復(fù)雜度是指執(zhí)行這個(gè)算法所需要的內(nèi)存空間。

　　2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本基本概念

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的三個(gè)方面：

　　(1)數(shù)據(jù)集合中各數(shù)據(jù)元素之間所固有的邏輯關(guān)系，即數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu);

　　(2)在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，各數(shù)據(jù)元素在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)關(guān)系，即數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu);

　　(3)對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的運(yùn)算。

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指相互有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)元素的集合。

　　數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)包含：

　　(1)表示數(shù)據(jù)元素的信息;

　　(2)表示各數(shù)據(jù)元素之間的前后件關(guān)系。

　　數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)有順序、鏈接、索引等。

　　線性結(jié)構(gòu)條件：

　　(1)有且只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn);

　　(2)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)最多有一個(gè)前件，也最多有一個(gè)后件。

　　非線性結(jié)構(gòu)：不滿足線性結(jié)構(gòu)條件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　3 線性表及其順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　線性表由一組數(shù)據(jù)元素構(gòu)成，數(shù)據(jù)元素的位置只取決于自己的序號，元素之間的相對位置是線性的。

　　在復(fù)雜線性表中，由若干項(xiàng)數(shù)據(jù)元素組成的數(shù)據(jù)元素稱為記錄，而由多個(gè)記錄構(gòu)成的線性表又稱為文件。

　　非空線性表的結(jié)構(gòu)特征：

　　(1)且只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn)a1，它無前件;

　　(2)有且只有一個(gè)終端結(jié)點(diǎn)an，它無后件;

　　(3)除根結(jié)點(diǎn)與終端結(jié)點(diǎn)外，其他所有結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)前件，也有且只有一個(gè)后件。結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)n稱為線性表的長度，當(dāng)n=0時(shí)，稱為空表。

　　線性表的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)具有以下兩個(gè)基本特點(diǎn)：

　　(1)線性表中所有元素的所占的存儲(chǔ)空間是連續(xù)的;

　　(2)線性表中各數(shù)據(jù)元素在存儲(chǔ)空間中是按邏輯順序依次存放的。

　　ai的存儲(chǔ)地址為：adr(ai)=adr(a1)+(i-1)k,，adr(a1)為第一個(gè)元素的地址，k代表每個(gè)元素占的字節(jié)數(shù)。

　　順序表的運(yùn)算：插入、刪除。

　　4 棧和隊(duì)列

　　棧是限定在一端進(jìn)行插入與刪除的線性表，允許插入與刪除的一端稱為棧頂，不允許插入與刪除的另一端稱為棧底。

　　棧按照“先進(jìn)后出”(filo)或“后進(jìn)先出”(lifo)組織數(shù)據(jù)，棧具有記憶作用。用top表示棧頂位置，用bottom表示棧底。

　　棧的基本運(yùn)算：(1)插入元素稱為入棧運(yùn)算;(2)刪除元素稱為退棧運(yùn)算;(3)讀棧頂元素是將棧頂元素賦給一個(gè)指定的變量，此時(shí)指針無變化。

　　隊(duì)列是指允許在一端(隊(duì)尾)進(jìn)入插入，而在另一端(隊(duì)頭)進(jìn)行刪除的線性表。rear指針指向隊(duì)尾，front指針指向隊(duì)頭。

　　隊(duì)列是“先進(jìn)行出”(fifo)或“后進(jìn)后出”(lilo)的線性表。

　　隊(duì)列運(yùn)算包括(1)入隊(duì)運(yùn)算：從隊(duì)尾插入一個(gè)元素;(2)退隊(duì)運(yùn)算：從隊(duì)頭刪除一個(gè)元素。

　　循環(huán)隊(duì)列：s=0表示隊(duì)列空，s=1且front=rear表示隊(duì)列滿

　　5 線性鏈表

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對應(yīng)于一個(gè)存儲(chǔ)單元，這種存儲(chǔ)單元稱為存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)，簡稱結(jié)點(diǎn)。

　　結(jié)點(diǎn)由兩部分組成：(1)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)元素值，稱為數(shù)據(jù)域;(2)用于存放指針，稱為指針域，用于指向前一個(gè)或后一個(gè)結(jié)點(diǎn)。在鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)空間可以不連續(xù)，各數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)順序與數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系可以不一致，而數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系是由指針域來確定的。

　　鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)方式即可用于表示線性結(jié)構(gòu)，也可用于表示非線性結(jié)構(gòu)。

　　線性鏈表，head稱為頭指針，head=null(或0)稱為空表，如果是兩指針：左指針(llink)指向前件結(jié)點(diǎn)，右指針(rlink)指向后件結(jié)點(diǎn)。

　　線性鏈表的基本運(yùn)算：查找、插入、刪除。

　　6 樹與二叉樹

　　樹是一種簡單的非線性結(jié)構(gòu)，所有元素之間具有明顯的層次特性。

　　在樹結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)前件，稱為父結(jié)點(diǎn)，沒有前件的結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，稱為樹的根結(jié)點(diǎn)，簡稱樹的根。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)后件，稱為該結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)。沒有后件的結(jié)點(diǎn)稱為葉子結(jié)點(diǎn)。

　　在樹結(jié)構(gòu)中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)所擁有的后件的個(gè)數(shù)稱為該結(jié)點(diǎn)的度，所有結(jié)點(diǎn)中最大的度稱為樹的度。樹的最大層次稱為樹的深度。

　　二叉樹的特點(diǎn)：(1)非空二叉樹只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn);(2)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)最多有兩棵子樹，且分別稱為該結(jié)點(diǎn)的左子樹與右子樹。

　　二叉樹的基本性質(zhì)：

　　(1)在二叉樹的第k層上，最多有2k-1(k≥1)個(gè)結(jié)點(diǎn);

　　(2)深度為m的二叉樹最多有2m-1個(gè)結(jié)點(diǎn);

　　(3)度為0的結(jié)點(diǎn)(即葉子結(jié)點(diǎn))總是比度為2的結(jié)點(diǎn)多一個(gè);

　　(4)具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的二叉樹，其深度至少為[log2n]+1,其中[log2n]表示取log2n的整數(shù)部分;

　　(5)具有n個(gè)結(jié)點(diǎn)的完全二叉樹的深度為[log2n]+1;

　　(6)設(shè)完全二叉樹共有n個(gè)結(jié)點(diǎn)。如果從根結(jié)點(diǎn)開始，按層序(每一層從左到右)用自然數(shù)1，2，….n給結(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(k=1,2….n)，有以下結(jié)論：

　�、偃鬹=1，則該結(jié)點(diǎn)為根結(jié)點(diǎn)，它沒有父結(jié)點(diǎn);若k>1，則該結(jié)點(diǎn)的父結(jié)點(diǎn)編號為int(k/2);

　�、谌�2k≤n，則編號為k的結(jié)點(diǎn)的左子結(jié)點(diǎn)編號為2k;否則該結(jié)點(diǎn)無左子結(jié)點(diǎn)(也無右子結(jié)點(diǎn));

　�、廴�2k+1≤n，則編號為k的結(jié)點(diǎn)的右子結(jié)點(diǎn)編號為2k+1;否則該結(jié)點(diǎn)無右子結(jié)點(diǎn)。

　　滿二叉樹是指除最后一層外，每一層上的所有結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)，則k層上有2k-1個(gè)結(jié)點(diǎn)深度為m的滿二叉樹有2m-1個(gè)結(jié)點(diǎn)。

　　完全二叉樹是指除最后一層外，每一層上的結(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)到最大值，在最后一層上只缺少右邊的若干結(jié)點(diǎn)。

　　二叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，對于滿二叉樹與完全二叉樹可以按層序進(jìn)行順序存儲(chǔ)。

　　二叉樹的遍歷：

　　(1)前序遍歷(dlr)，首先訪問根結(jié)點(diǎn)，然后遍歷左子樹，最后遍歷右子樹;

　　(2)中序遍歷(ldr)，首先遍歷左子樹，然后訪問根結(jié)點(diǎn)，最后遍歷右子樹;

　　(3)后序遍歷(lrd)首先遍歷左子樹，然后訪問遍歷右子樹，最后訪問根結(jié)點(diǎn)。

　　7 查找技術(shù)

　　順序查找的使用情況：

　　(1)線性表為無序表;

　　(2)表采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　二分法查找只適用于順序存儲(chǔ)的有序表，對于長度為n的有序線性表，最壞情況只需比較log2n次。

　　8 排序技術(shù)

　　排序是指將一個(gè)無序序列整理成按值非遞減順序排列的有序序列。

　　交換類排序法：(1)冒泡排序法，需要比較的次數(shù)為n(n-1)/2; (2)快速排序法。

　　插入類排序法：(1)簡單插入排序法，最壞情況需要n(n-1)/2次比較;(2)希爾排序法，最壞情況需要o(n1.5)次比較。

　　選擇類排序法：(1)簡單選擇排序法,

　　最壞情況需要n(n-1)/2次比較;(2)堆排序法，最壞情況需要o(nlog2n)次比較。

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