帶你了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和簡介
1. 概述
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義:
我們?nèi)绾伟熏F(xiàn)實中大量而復(fù)雜的問題以特定的數(shù)據(jù)類型和特定的存儲結(jié)構(gòu)保存到主存儲器(內(nèi)存)中,以及在此基礎(chǔ)上為實現(xiàn)某個功能(如元素的CURD、排序等)而執(zhí)行的相應(yīng)操作，這個相應(yīng)的操作也叫算法。
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) = 元素 + 元素的關(guān)系
- 算法 = 對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作
算法:
- 算法就是：解決問題的方法和步驟
衡量算法有如下標(biāo)準(zhǔn):
- 時間復(fù)雜度
- 程序要執(zhí)行的次數(shù)，并非執(zhí)行時間
- 空間復(fù)雜度
- 算法執(zhí)行過程中大概要占用的最大內(nèi)存
- 難易程度(可讀性)
- 健壯性
2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和地位
地位:
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處于軟件中核心的地位。
如計算機(jī)內(nèi)存中棧和堆的區(qū)別，不懂?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的人可能會認(rèn)為內(nèi)存就是分兩大部分，一塊叫棧，一塊叫堆，顯然這是非常膚淺且不正確的結(jié)論。
實際上如果一塊內(nèi)存是以壓棧出棧的方式分配的內(nèi)存，那么這塊內(nèi)存就叫棧內(nèi)存，如果是以堆排序的方式分配的內(nèi)存，那么這塊內(nèi)存就叫堆內(nèi)存，其最根本的區(qū)別還是其內(nèi)存分配算法的不同。
例如，函數(shù)的調(diào)用方式也是通過壓棧出棧的方式來調(diào)用的，或者操作系統(tǒng)中多線程操作有隊列的概念，隊列用于保證多線程的操作順序，這也是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面的內(nèi)容、或者計算機(jī)編譯原理里面有語法樹的概念，這實際上就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面的樹，比如軟件工程、數(shù)據(jù)庫之類都有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的影子。
特點:
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)修煉的是內(nèi)功，并不能直接立竿見影的可以解決現(xiàn)實問題，但是有了這門內(nèi)功會在其他方面的學(xué)習(xí)中對你大有益處。
- 預(yù)備知識(C語言)
學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備如下知識：
- 指針
- 結(jié)構(gòu)體
- 動態(tài)內(nèi)存的分配和釋放
- 跨函數(shù)使用內(nèi)存
本小節(jié)主要介紹學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該有的基礎(chǔ)，并對相關(guān)知識稍作講解。
- 指針
- 指針是 C語言 的靈魂，重要性不需多言。
- 指針定義
地址：
- 地址是內(nèi)存單元的編號
- 其編號是從 0 開始的非負(fù)整數(shù)
- 范圍： 0 – 0xFFFFFFFF (232 - 1) 注：此指x86平臺，x64平臺下最大內(nèi)存地址為 (264 - 1)
指針：
- 指針就是地址，地址就是指針。
- 指針變量是存放內(nèi)存單元地址的變量,它內(nèi)部保存的值是對應(yīng)的地址,地址就是內(nèi)存單元的編號(如內(nèi)存地址值：0xffc0)。
- 指針的本質(zhì)是一個操作受限的非負(fù)整數(shù)
在計算機(jī)系統(tǒng)中，CPU 可以直接操作內(nèi)存，關(guān)于 CPU 對內(nèi)存的操作與控制原理可以簡單理解如下圖
- 地址線 ： 確定操作哪個地址單元
- 控制線 ： 控制該數(shù)據(jù)單元的讀寫屬性
- 數(shù)據(jù)線 ： 傳輸 CPU 和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)
指針的分類
基本類型的指針
- int i = 10; // 定義一個 整形變量 i 初始值 10
- int *p = i; // 定義一個 整形的指針變量 p , 變量 p 指向 i 的地址
- int *p; // 這兩行等價于上面一行
- p = &i;
p 存放了 i 的地址，我們就可以說“ p 指向了 i” ，但 p 和 i 是兩個不同的變量，修改一方不會影響另一個的值。
*p 等價于 i ，i 等價于 *p;兩者是一塊內(nèi)存空間，里面的值一變具變。
指針和函數(shù)
- // 修改外部實參的值
- void func(int * p)
- {
- *p = 100; // 函數(shù)內(nèi)修改外部變量的值
- }
- // 修改外部實參的值，二級指針的值
- void func2(int ** p)
- {
- *p = 100;
- // 函數(shù)內(nèi)修改外部變量的值 ，這里實際修改的是指針的內(nèi)部的地址，這里直接自己修改并不嚴(yán)謹(jǐn)也不安全，只是為了表達(dá)意思
- }
- int main(void)
- {
- // 修改外部實參
- int i = 10;
- func(&i);
- printf(“i = %d”,i);
- // 修改外部二級指針
- int *p = i; // 等價于 int *p; p = &i;
- func(&p);
- printf(“i = %d”,i);
- return 0;
- }
- // 通過函數(shù)調(diào)用，改變函數(shù)外部變量(實參)的值
指針和數(shù)組
【指針】 和 【一維數(shù)組】
- int a[5] = {1,2,3,4,5 };
- a[3] == *(a + 3)
- // 等價于 a[3] == *(3 + a) == 3[a];
- // 3[a] 這種寫法只是不常用，從原理上來說是正確的 a 等價于 a[0];
- // a 是數(shù)組中第一個元素，每個元素占用內(nèi)存單位長度相同，
- // a[i] 中的 i 實際代表的是單位長度的倍數(shù)
數(shù)組名:
一維數(shù)組名是個指針常量(它的值不可變)
它存放的是該一維數(shù)組的第一個元素的地址(一維數(shù)組名指向其第一個元素)
下標(biāo)和指針的關(guān)系:
(1)、 a[i] 等價于 *(a + i)
(2)、假設(shè)指針變量的名字為 p,
則 p + i 的值為 p + i * (p 所指向的變量所占字節(jié)數(shù))
(3)、每個下標(biāo)表示的是第 i+1 個元素，根據(jù)元素類型分配的字節(jié)長度不同(int 類型4個字節(jié))，每個字節(jié)都有對應(yīng)的內(nèi)存地址編號，指針變量 p 保存的是該元素首字節(jié)的地址。
指針變量的運算:
- 指針變量不能相加、相乘、相除
- 如果兩指針變量屬于同一數(shù)組，則可以相減
- 指針變量可以加減一個整數(shù)，前提是最終結(jié)果不能超過指針最大可訪問范圍
- // 指針變量的運算
- p + i 的值是 p + i*(所指向的變量所占字節(jié)數(shù))
- p - i 的值是 p - i*(所指向的變量所占字節(jié)數(shù))
- p++ 等價于 p + 1
- p– 等價于 p - 1
- // 下面是一個通過函數(shù)修改數(shù)組內(nèi)部元素
- void my_Array(int *a , int length)
- {
- for(int i = 0; i < length; i++)
- {
- *a[i]++; // 給每個元素加 1
- }
- }
- int main(void){
- int a[5] = {1,2,3,4,5};
- my_Array(a , 5); // 調(diào)用
- }
結(jié)構(gòu)體
為什么會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)體?
為了表示一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，而普通的基本數(shù)據(jù)無法滿足要求.
什么叫結(jié)構(gòu)體
結(jié)構(gòu)體是用戶根據(jù)實際需要，自己定義的復(fù)合數(shù)據(jù)類型
- // 如學(xué)生類型
- struct Student{
- int age;
- char * name; // name 不同，賦值方法不同
- char name2[100]; // 這個只能 strcpy(s.name2, “zhangwangdsd”); 字符串拷貝
- double height;
- };
如何使用結(jié)構(gòu)體
總結(jié)起來有兩種結(jié)構(gòu)體的使用方式：直接使用 && 通過指針使用
- struct Student ss = {12,”xiaoyou”,1.73,”xiaozhang”};
- struct Student *pst = &ss;
- ss.name ; 這里直接操作結(jié)構(gòu)體本身
- pst -> name ; 這里通過指針地址操作，更加節(jié)省空間
- struct Student{ // 自定義結(jié)構(gòu)體
- int age;
- char * name;
- double height;
- char name2[100];
- };
- int main(void) {
- struct Student s = {12,”xiaoyou”,1.73,”xiaozhang”};
- // 直接使用
- printf(” age = %d \n name = %s \n height = %.2f \n”,s.age,s.name,s.height);
- s.age = 21;
- s.name = “xiaozhu”;
- strcpy(s.name2, “zhangwangdsd”); // 字符串拷貝
- s.height = 1.70;
- printf(” age = %d \n name = %s \n height = %.2f \n %s \n”,s.age,s.name,s.height,s.name2);
- // 以指針的方式使用
- struct Student *pst = &ss;
- pst -> name = “my new name”;
- printf(” name = %s\n”,pst->name);
- printf(” name = %s\n”,(*pst)->name);
- // pst -> name 等價于 (*pst).name ,
- // 而(*pst).name 又等價于 ss.name
- // 所以 pst -> name 等價于 ss.name
- return 0;
- }
注意事項
結(jié)構(gòu)體變量的類型為： struct Student
結(jié)構(gòu)體變量不能加減乘除，但是能夠相互賦值
普通結(jié)構(gòu)體變量和結(jié)構(gòu)體指針變量作為函數(shù)傳參的問題
- typedef struct Student{ // 結(jié)構(gòu)體定義
- int age;
- char * name;
- char name2[100];
- double height;
- }myStudent;
- // 直接傳遞整個結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，耗時 && 浪費內(nèi)存空間
- void func(struct Student st);
- // 直接傳遞 只占用 4 byte 的指針，省時效率也高 <推薦用法>
- void func2(struct Student * pst);
- int main(void){
- myStudent ss = {12,"xiaoyou",1.73};
- func(ss);
- func2(&ss);
- return 0;
- }
- void func(struct Student st){
- printf("age = %d \n name = %s",st.age,st.name);
- }
- void func2(struct Student * pst){
- printf("age = %d \n name = %s",(*pst).age,(*pst).name);
- printf("age = %d \n name = %s",pst->age,pst->name);
- }
動態(tài)內(nèi)存分配和釋放
平時直接創(chuàng)建數(shù)組的寫法都是靜態(tài)創(chuàng)建，創(chuàng)建完畢之后在整個程序的運行過程中，會固定占用對應(yīng)的內(nèi)存，不僅會造成內(nèi)存空間浪費，還無法動態(tài)添加元素，所以局限性很大，而程序中我們?yōu)榱吮苊膺@種情況，應(yīng)該使用動態(tài)的方式創(chuàng)建和銷毀數(shù)組。
- // 靜態(tài)創(chuàng)建數(shù)組
- int a[5] = {1,2,3,4,5};
動態(tài)構(gòu)造一維數(shù)組
動態(tài)構(gòu)造一個 int 型的一維數(shù)組。
- int p = (int )malloc(int length);
void * malloc(size_t __size) 函數(shù),只有一個 int 類型的形參，表示要求系統(tǒng)分配的字節(jié)數(shù)
malloc 函數(shù)的功能是請求系統(tǒng) length 個字節(jié)的內(nèi)存空間，如果請求完成則返回的是第一個字節(jié)的地址，
如果請求不成功，則返回NULL
malloc 函數(shù)能且只能返回第一個字節(jié)的地址，所以我們需要把沒有實際意義的第一個字節(jié)地址(干地址)轉(zhuǎn)化為一個有實際意義的地址，
所以 malloc 前面必須加(數(shù)據(jù)類型 *)，表示把這個無意義的地址轉(zhuǎn)化為對應(yīng)類型的地址
實例：
- int p = (int )malloc(50);
表示將系統(tǒng)分配的 50 個字節(jié)的第一個字節(jié)的地址轉(zhuǎn)化為 int 類型的地址，準(zhǔn)確的說是轉(zhuǎn)化為 4 個一組的地址的首地址，
這樣 p 就指向了第一個四個字節(jié)··· p+i 就指向了第 i+1 個四個字節(jié)，p[0],p[i]也就分別是第一個，第i+1個元素。
- double *p = (double *)malloc(80);
表示將系統(tǒng)分配的 80 個字節(jié)的第一個字節(jié)的地址轉(zhuǎn)化為 double 類型的地址，準(zhǔn)確的說是轉(zhuǎn)化為 8 個一組的地址的首地址，
這樣 p 就指向了第一個八個字節(jié)··· p+i 就指向了第 i+1 個八個字節(jié)，p[0],p[i]也就分別是第一個，第i+1個元素。
- free(p);
釋放 p 所指向的內(nèi)存，而不是釋放 p 本身所占用的內(nèi)存
代碼示例如下：
- void test2(void)
- {
- int len;
- printf(“請輸入你要動態(tài)創(chuàng)建的數(shù)組長度:”);
- scanf(“%d”,&len);
- int *pArr = (int *)malloc(len); // 動態(tài)創(chuàng)建數(shù)組
- *pArr = 4; // 相當(dāng)于 a[0] = 4; 這里 pArr 就等于數(shù)組首地址，等于數(shù)組名
- pArr[2] = 5; // 相當(dāng)于 a[2] = 5;
- printf("pArr[0] = %d \npArr[2] = %d\n",pArr[0],pArr[2]);
- free(pArr); // 使用完畢，釋放對應(yīng)的數(shù)組空間
- }
跨函數(shù)使用內(nèi)存
在函數(shù)內(nèi)部分配的局部變量，在函數(shù)調(diào)用完成之后就會被系統(tǒng)回收，其內(nèi)存也會消失。但是程序中常常需要定義一塊內(nèi)存，當(dāng)我們用完之后再會回收。如 OC 語言中對象。所以需要保存住分配的內(nèi)存，應(yīng)該用動態(tài)分配內(nèi)存，當(dāng)用完之后再手動釋放。這也是C語言的一個不足之處：內(nèi)存需要我們手動創(chuàng)建和手動釋放，這也是 OC 語言在開發(fā) iOS 程序時候，我們所講的MRC?！咎O果也發(fā)現(xiàn)了這個不足，于 iOS 5 的時候推出了ARC 】
下面是一個跨函數(shù)使用內(nèi)存的例子：
- // 這個例子已經(jīng)非常有面向?qū)ο蟮奈兜懒?nbsp;
- typedef struct Student{ // 自定義 student 結(jié)構(gòu)體
- int age;
- char * name;
- }myStudent;
- myStudent * createStudent(void); // 創(chuàng)建 student
- void showStudent(myStudent *); // 輸出 student
- int main(void) {
- myStudent *p = createStudent(); // 創(chuàng)建 student
- showStudent(p); // 輸出 student
- return 0;
- }
- myStudent * createStudent(void)
- {
- myStudent p = (myStudent )malloc(sizeof(myStudent));
- p->age = 20;
- p->name = “xiaoyou”;
- return p;
- }
- void showStudent(myStudent *p)
- {
- printf(“student.age = %d \nstudent.name = %s\n”,p->age,p->name);
- }
小結(jié)
本文主要講解了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和簡介。
回顧了學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備的一些 C語言 的基礎(chǔ)知識，如指針、結(jié)構(gòu)體、和內(nèi)存等。
