2. 线性表
2.1 线性表的定义和基本操作
定义:n(n>=0)个相同数据类型的数据元素构成的有限序列,n=0时,线性表为空表。线性表用L一般表示为:
L = (a1,a2,a3....,ai-1,ai....,an)
几个概念:
ai是线性表中的“第i个”元素线性表中的位序 注意:位序从1开始,数组下标从0开始
a1是表头元素; an 是表尾元素。除第一个元素外,每个元素有且仅有一个直接前驱:除最后一个元素外,每个元素有且仅有一个直接后继
InitList(&L):初始化表。构造一个空的线性表L,分配内存空间。
DestroyList(&():销毁操作。销毁线性表,并释放线性表L所占用的内存空间。
Listnsert(&L,e):插入操作。在表L中的第1个位置上插入指定元素e.
ListDelete(&L,&e):删除操作。删除表l中第1个位置的元素,并用e返回删除元素的值。
LocateElem(L,e):按值查找操作。在表L中查找具有给定关键字值的元素。
GetElem(Lj):按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。其他常用操作:
Length(U:求表长。返回线性表L的长度,即L中数据元素的个数。
PrintList(L):输出操作。按前后顺序输出线性表L的所有元素值。.
Empty(L):判空操作。若L为空表,则返回true,否则返回false.
Tips:
①对数据的操作(记忆思路) --创销、增删改查②C语言函数的定义-- <返回值类型> 函数名(<参数1类型>参数1,<参数2类型>参数2,...)
③实际开发中,可根据实际需求定义其他的基本操作
④函数名和参数的形式、命名都可改变(Reference: 严蔚敏版《数据结构》Key:命名要有可读性
⑤什么时候要传入参数的引用“&”--对参数的修改结果需要“带回来”
2.2 顺序表
2.2.1 顺序表的定义
线性表是具有相同数据类型的n(n>=0) 个数据元素的有限序列
线性表L的逻辑结构
线性表的存储结构:
顺序表
——即在逻辑结构上相邻,在物理(存储)结构上也相邻
顺序表——用顺序存储的方式实现线性表顺序存储。把逻辑上相邻的元素存储在物理位置上也相邻的存储单元中,元素之间的关系由存储单元的邻接关系来体现。
顺序表的实现——静态分配
#define MaxSize 10 //定义最大长度
typedef struct{
//ElemType是需要给定的数据类型
ElemType data [MaxSize] ; //用静态的“数组”存放数据元素.
int length; //顺序表的当前长度.
}SqList; //顺序表的类型定义(静态分配方式)
eg:
#include<stido.h>
#define MaxSize 10 //定义最大长度
typedef struct{
int data [MaxSize] ; //用静态的“数组”存放数据元素.
int length; //顺序表的当前长度.
}SqList;
void InitList(SqLsit &L){
for(int i=0; i<MaxSize; i++){
L.data[i] = 0; //若不赋值,不能保障之前内存是否留存“脏数据”
}
L.length = 0;
}
int main(){
SqList L; //声明一个顺序表
InitList(L); //初始化顺序表
//....
return 0;
}
静态分配会存在数据存满后就不能存的情况
顺序表的实现——动态分配**
#define InitSize 10 //顺序表的初始长度.
typedef struct{
ELemType *data; //指示动态分配数组的指针
int MaxSize; //顺序表的最大容量
int length; //顺序表的当前长度
} SeqList; //顺序表的类型定义(动态分配方式)
动态申请和释放空间
C——malloc、free函数
L.data = (ElemType*)malloc(sizeof(ElemType)*InitSize)
C++——new、delete
eg:
#include <stdlib.h>
#define InitSize 10 //默认的最大长度
typedef struct{
int *data; //指示动态分配数组的指针
int MaxSize; //顺序表的最大容量
int length; //顺序表的当前长度
}SeqList;
void InitList(SeqList &L){
//用mal1oc 函数申请一片连续的存储空间
L.data=(int * )malloc(InitSize*sizeof(int));
L.length=0;
L.MaxSize=InitSize;
}
//增加动态数组的长度
void IncreaseSize(SeqList &L, int len){
int *p=L.data; //让p指向原区域
L.data=(int *)malloc((L.MaxSize+len)*sizeof(int));
for(int i=0; i<L.length; i++){
L.data[i]=p[i]; //将数据复制到新区域:时间开销大
}
L.MaxSize=L.MaxSize+len; //顺序表最大长度增加len
free(p); //释放原来的内存空间
}
int main(){
SeqList L;
InitList(L);
//....往顺序表中插入几个元素
IncreaseSize(L,5);
return 0;
}
顺序表的特点:
①随机访问,即可以在O(1)时间内找到第i个元素。代码实现: data[i-1];静态分配、动态分配都一样
②存储密度高,每个节点只存储数据元素
③拓展容量不方便(即便采用动态分配的方式实现,拓展长度的时间复杂度也比较高)
④插入、删除操作不方便,需要移动大量元素
2.2.2 顺序表的基本操作
1. 顺序表的插入和删除
顺序表的基本操作——插入
void ListInsert(SqList &L, int i, int e){ //在L的位序i处插入元素e
for(int j = L.length;j>i;j--) //所有i后面的元素往后移一位
L.data[j] = L.data[j-1]
L.data[i-1] = e; //位序i,对应数组i-1
L.length++;
}
优化代码:
bool ListInsert(SqList &L,int i,int e){
if(i<1 || i>L.length+1) //判断i的范围是否有效
return false;
if(L.length>=MaxSize) //当前存储空间已满,不能插入
return false;
for(int j=L.length;j>=i;j--) //将第i个元素及之后的元素后移
L.data[j]=L.data[j-1];
L.data[i-1]=e; //在位置i处放入e
L.length++; //长度加1
return true;
}
好的算法,应该具有“健壮性”。能处理异常情况,并给使用者反馈
顺序表的基本操作——删除
bool ListDelete(SqList &L, int i, int &e){
if(i<1 || i>L.length) //判断i的范围是否有效
return flase;
e = L.data[i-1]; //将被删除的元素赋值给e
for(int j=L.length;j>=i;j--) //将第i个元素及之后的元素前移
L.data[j-1]=L.data[j];
L.length--; //长度减1
return ture;
}
2. 顺序表的查找
顺序表按位查找
GetElem(L,i):按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。
#define MaxSize 10 //定义最大长度
typedef struct{
ElemType data [MaxSize] ; //用静态的“数组”存放数据元素(静态分配)
int length; //顺序表的当前长度:
}SqList; //顺序表的类型定义(静态分配方式)
ElemType GetElem(SqList L,int i){
return L.data[i-1];
}
GetElem(L,i):按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。
#define InitSize 10 //顺序表的初始长度
typedef struct{
ElemType *data; //指示动态分配数组的指针 动态分配
int MaxSize; //顺序表的最大容量
int length; //顺序表的当前长度
} SeqList; //顺序表的类型定义(动态分配方式)
时间复杂度:O(1)
由于顺序表的各个数据元素在内存中连续存放,因此可以根据起始地址和数据元素大小立即找到第i个元素——“随机存取”特性
顺序表按值查找
LocateElem(,e):按值查找操作。在表L中查找具有给定关键字值的元素。
#define. InitSize 10//顺序表的初始长度
typedef struct{
ElemType *data; //指示动态分配数组的指针
int MaxSize; //顺序表的最大容量
int length; //顺序表的当前长度
} SeqList; //顺序表的类型定义(动态分配方式)
//在顺序表L中查找第一个元素值等于e的元素,并返回其位序
int LocateElem(SeqList L, ElemType e){
for(int i=0;i<L.length; i++)
if(L.data[i]==e)
return i+1; //数组下标为i的元素值等于e,返回其位序i+1
return 0; //退出循环,说明查找失败
}
基本数据类型: int、 char、 double、float等可以直接用运算符“==”比较
对于结构体的比较:
需要依次对比各个分量来判断两个结构体是否相等
typedef struct { int num; int people; } Customer;
if (a.num ==: b.num && a.people == b.people) { printf("相等"); }else { printf( "不相等"); }
2.3 单链表
单链表和顺序表的区别
struct LNode{ //结点
ElemType data; //数据域
struct LNode* p; //指针域
}
增加一个新的结点:在内存中申请一个结点所需空间,并用指针p指向这个结点
struct LNode* p= (struct LNode* )malloc(sizeof(struct LNode));
typedef关键字一一数据类型重命名
typedef <数据类型> <别名> typedef struct LNode LNode; LNode *p= (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
代码优化:
typedef struct LNode{ //定义单链表结点类型
ElemType data; //每个节点存放- -个数据元素
struct LNode *next ; //指针指向下一个节点
}LNode, *LinkList;
LNode *p和 LNode L都表示指向结构体的指针
LNode *p 一般表示节点的指针
LNode L 头指针,一般用来表示一个链表
2.3.1 单链表的定义
不带头结点的单链表
bool InitList(LinkList &L){
L = NULL; //空表暂时没有任何节点(防止脏数据)
return ture;
}
void test(){
LinkList L; //注意,此处并没有创建个结点
InitList(L);
}
判空
//判断单链表是否为空
bool Empty(LinkList L) {
if (L == NULL)
return true;
else
return false;
}
//或者
bool Empty(LinkList L) {
return (L==NULL); .
}
带头结点的单链表
//初始化-个单链表(带头结点)
bool InitList(LinkList &L) {
L = (LNode *) malloc(sizeof(LNode)); //分配一个头结点
if (L==NULL) //内存不足, 分配失败
return false;
L->next = NULL;//头结点之后暂时还没有节点
return true;
}
判空
//判断单链表是否为空(带头结点)
bool Empty(LinkList L) {
if (L->next == NULL)
return true;
else
return false;
}
不带头结点,写代码更麻烦。对第一个数据结点和后续数据结点的处理需要用不同的代码逻辑。对空表和非空表的处理需要用不同的代码逻辑
2.3.2 单链表的基本操作
1. 单链表的插入和删除
按位序插入(带头结点)
//在第i个位置插插入元素e (带头结点)
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if(i<1)
return false;
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向头结点,头结点是第0个结点(不存数据)
while (p!= NULL && j<i-1) { //循环找到第 i-1个结点
p=p->next;
j++;
}
if(p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof (LNode));
s->data = e;
s->next=p->next; //跟下一句有先后关系
p->next=s; //将结点s连到p之后
return true; //插入成功.
}
i = 1(插在表头) 最好时间复杂度:O(1)
i = n (插在表尾)最坏时间复杂度:O(n)
平均时间复杂度:O(n)
按位序插入(不带头结点)
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if(i<1)
return false;
if(i==1){ //插入第1个结点的操作与其他结点操作不同
LNode *s = (LNode *)malloc (sizeof(LNode));
s->data = e;
S->next=L ;
L=s; // 头指针指向新结点
return true;
}
LNode *p;
int j=1; //当前p指向的是第几个结点!
p=L //p指问第1个结点(注意:不是头结点)
//下面和带头节点逻辑一样
while (p!= NULL && j<i-1) { //循环找到第 i-1个结点
p=p->next;
j++;
}
if(p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof (LNode));
s->data = e;
s->next=p->next; //跟下一句有先后关系
p->next=s; //将结点s连到p之后
return true; //插入成功.
}
指定结点的后插操作
相当于按位序插入中查找步骤完成
bool ListInsert(LNode *p, ElemType e){
if(p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof (LNode));
s->data = e;
s->next=p->next; //跟下一句有先后关系
p->next=s; //将结点s连到p之后
return true; //插入成功.
}
时间复杂度:O(1)
指定结点的前插操作
1.循环查找p的前驱q,再对q后插
时间复杂度:O(n)
2.数据替换法
//前插操作:在p结点之前插入元素e
bool InsertPriorNode (LNode *p, ElemType e){
if (p==NULL)
return false;
LNode *S = (LNode * )malloc(sizeof(LNode));
if (s==NULL) //内存分配失败
return false;
s->next= p->next ;
p->next=s; //新结点s连到p之后
s->data=p->data; //将p中元素复制到s中
p->data=e; //p中元素覆盖为e
return true ;
}
时间复杂度:O(1)
按位序删除(带头结点)
ListDelete(&L,i,&e):删除操作。删除表L中第==i个位置==的元素,并用e返回删除元素的值。
找到第 i-1 个结点,将其指针指向第i+1个结点, 并释放第i个结点
bool ListDelete(LinkList &L,int i, ElemType &e){
if(i<1)
return false;
LNode *p; // 指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p=L; //L指向头结点,头结点是第0个结点(不存数据)
while (p!=NULL && j<i-1) { //循环找到第 i-1 个结点
p=p->next;
j++;
}
if( p==NULL) //i值不合法
return false;
if(p->next == NULL) //第i-1个结点之后已无其他结点
return false;
LNode *q=p->next; //令q指向被删除结点
e = q->data; //用e返回元素的值
p->next=q->next; //将*q结点从链中“断开”
free(q); //释放结点的存储空间
return true; //删除成功
}
i = 1(删除在表头) 最好时间复杂度:O(1)
i = n (删除在表尾)最坏时间复杂度:O(n)
平均时间复杂度:O(n)
指定结点的删除**
找到其后继节点,将后继节点数据转到当前节点,删除后继节点
bool DeleteNode(LNode *p){
if( p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *q=p->next; //令q指向*p的后继结点
p->data = p->next->data;//和后继节点交换数据
p->next = q->next; //将*q结点从链中“断开”
free(q); //释放结点的存储空间
return true; //删除成功
}
注意:
如果p是最后一个节点,则只能从表头开始依次寻找p的前驱,时间复杂度O(n)
2. 单链表的查找
按位查找
//按位查找,返回第i个元素(带头结点)
LNode * GetElem(LinkList L, int i){
if(i<0)
return NULL;
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p=L; //L指向头结点,头结点是第0个结点(不存数据)
while (p!=NULL && j<i) { //循环找到第 i个结点
p=p- >next;
j++;
}
return p;
}
平均时间复杂度:O(n)
按值查找
//按值查找,找到数据域= =e的结点
LNode * LocateElem(LinkList L, ElemType e) {
LNode *p = L- >next;
//从第1个结 点开始查找数据域为e的结点
while (p != NULL && p->data != e)
p = p->next;
return p; //找到后返回该结点指针, 否则返回NULL
}
平均时间复杂度:O(n)
求表的长度
//求表的长度
int Length(LinkList L){
int len = 0; //统计表长
LNode *p = L;
while (p->next != NULL){
p = p->next;
len++;
}
return len;
}
时间复杂度:O(n)
2.3.3 单链表的建立
1. 尾插法
尾插法建立单链表原理
//在第i个位置插插入元素e (带头结点)
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if(i<1)
return false;
LNode *p; //指针p指向当 前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向头结点,头结点是第0个结点(不存数据)
while (p!= NULL && j<i-1) { //循环找到第 i-1个结点
p=p->next;
j++;
}
if(p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof (LNode));
s->data = e;
s->next=p->next; //跟下一句有先后关系
p->next=s; //将结点s连到p之后
return true; //插入成功.
}
尾插法建立链表实现:
LinkList List_Taillinsert(LinkList &L){
int x; //设置Element的类型为整型
L = (LinkList)malloc(sizeof(LNode)) //建立头节点,初始化空表
LNode *s,*r = L; //r为表尾指针
scanf("%d",&x); //输入节点值
while(x!=9999){ //输入9999表示结束、
s = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
s->data = x;
r->next = s;
r = s; //r指向新的尾表节点
scanf("%d",&x);
}
r->next = NULL; //尾指针置为空
return L;
}
时间复杂度:O(n)
2. 头插法
头插法建立单链表原理
//后插操作:在p结点之后插入元素e
bool InsertNextNode (LNode *p,ElemType e){
if (p==NULL)
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc (sizeof(LNode));
if (s==NULL) //内存分配失败
return false;
s->data = e; //用结点s保存数据元素e
s->next=p->next;
p->next=s; //将结点s连到p之后
return true;
}
每次都对头节点进行后插操作
头插法建立单链表实现:相当于每次新结点都是作为第一个结点
LinkList List_ HeadInsert(LinkList &L){ //逆向建立单链表
LNode *s;
int x; .
L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode)); // 创建头结点
L->next=NULL; //初始为空链表
scanf("%d",&x); //输入结点的值
while(x!=9999){ //输入9999表示结束
s=(LNode* )malloc(sizeof(LNode)); //创建新结点
s->data=X;
s->next=L-> next;
L->next=S; //将新结点插入表中,L为头指针
scanf("%d" ,&x);
}
return L;
}
L->next=NULL;
不能去除,在尾插法中可以去掉,但是还是建议都加上
头插法建立单链的重要应用:==链表的逆置==
2.4 双链表
双链表和单链表的区别
typedef struct DNode{ //定义双链表结点类型
ElemType data; //数据域
struct DNode *prior, *next; //前驱和后继指针
}DNode,*DLinklist;
相比于单链表,双链表访问前后相邻节点跟方便,同时其存储密度也更低一点
2.4.1 双链表的初始化
双链表的初始化(带头结点)
//初始化双链表
bool InitDLinkList(DLinklist &L){
L = (DNode *) malloc(sizeof(DNode)); //分配-个头结点
if (L==NULL) //内存不足, 分配失败
return false;
L->prior = NULL; //头结点的prior永远指向NULL
L->next = NULL: //头结点之后暂时还没有节点
return true ;
}
//判断双链表是否为空(带头结点) bool Empty(DLinklist L) { if (L->next == NULL) return true; else return false; }
双链表的插入
//在p结点之后插入s结点
bool InsertNextDNode(DNode *p, DNode *s){
if(p=NULL || s=NULL) //非法参数
return false;
s->next=p->next;//将结点*s插入到结点*p之后
if(p->next->prior!=NULL) //为了防止p是最后一个节点
p->next->prior=s;
s->prior=p;
p->next=s;
return true;
}
位序插入:先遍历,找到对应位序的前一个节点,进行后插操作(O(n))
前插操作:找到对应节点的前一个节点,进行后插操作(O(1))
2.3.2 双链表的删除
//删除p结点的后继结点
bool DeleteNextDNode(DNode *p){
if (p==NULL)
return false;
DNode *q = p->next; //找到p的后继结点q
if (q==NULL)
return false; //p没有后继
p->next=q->next;
if (q->next !=NULL) //q结点不是最后- 个结点
q->next->prior=p;
free(q); //释放结点空间
return true;
}
//销毁链表
void DestoryList(DLinklist &L){
//循环释放各个数据结点
while (L->next != NULL)
DeleteNextDNode(L); //上面定义的方法
free(L); //释放头结点
L=NULL; //头指针指向NULL
}
2.3.3 双链表的遍历
//后向遍历
while(p!=NULL){
//....对节点p的相关操作
p = p->next;
}
//前向遍历
while(p!=NULL){
//....对节点p的相关操作
p = p->prior;
}
//前向遍历(跳过头节点)
while(p->prior!=NULL){
//....对节点p的相关操作
p = p->prior;
}
双链表不可随机存取,按位查找、按值查找操作都只能用遍历的方式实现。时间复杂度O(n)
2.5 循环链表
2.5.1 循环单链表
typedef struct LNode{ //定义单链表结点类型
ElemType data; //每个节点存放-个数据元素
struct LNode *next; //指针指向下一个节点
}LNode, *LinkList; //初始化一 个循环单链表
bool InitList(LinkList &L) {
L = (LNode *) malloc(sizeof(LNode)); //分配-个头结点
if (L==NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->next = L; //头结点next指向头结点
return true;
}
//判断循环单链表是否为空
bool Empty(LinkList L) {
if (L->next ==L)
return true;
else
return false;
}
//判断结点p是否为循环单链表的表尾结点
bool isTail(LinkList L,LNode *p){
if (p->next==L)]
return true ;
else
return false;
}
单链表:从一个结点出发只能找到后续的各个结点
循环单链表:从一个结点出发可以找到其他任何一个结点
常对链表的头部或尾部进行操作时,可以让L指向表尾元素(插入、删除时可能需要修改),即用一个不带头结点且有尾指针的单循环链表
2.5.2 循环双链表
//初始化空的循环双链表
bool InitDLinkL ist (DLinklist &L){
L = (DNode *) malloc(sizeof (DNode)); //分配-个头结点
if (L==NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->prior = L; //头结点的prior指向头结点(特性:prior指向尾节点)
L->next = L; //头结点的next 指向头结点
return true;
}
//判断循环双链表是否为空
bool Emptv(DL inklist L){
if(L->next ==L)
return true;
else
return false;
}
//判断结点p是否为循环单链表的表尾结点
bool isTail(DLinklist L, DNode *p){
if
(p->next==L)|
return true;
eLse
return false;
}
循环双链表插入
//在p结点之后插入s结点
bool InsertNextDNode (DNode *p, DNode *s){
s->next=p->next; //将结点*s插入到结点和之后
p->next->prior=s; //普通双链表在此处需判断p是否尾节点
s->prior=p;
p->next=s;
}
循环双链表的删除
从删除p的后继结点q
p->next=q->next;
q->next->prior=p; //普通双链表在此处需判断p是否尾节点
free(q);
2.6 静态链表
2.6.1 静态链表定义
单链表:各个结点在内存中星罗棋布、散落天涯。
静态链表:分配一整片连续的内存空间,各个结点集中安置。 每个数据元素 4B,每个游标4B(每个结点共 8B) 设起始地址为 addre
定义一个静态链表
#define MaxSize 10 //静态链表的最大长度
struct Node{ //静态链表结构类型的定义
ElemType data; //存储数据元素
int next; //下一个元素的数组下标
};
void testSLinkL ist() {
struct Node a[MaxSize]; //数组a作为静态链表
//......后续代码
}
等价于:
#define MaxSize 10 //静态链表的最大长度
typedef struct { //静态链表结构类型的定义
ElemType data; //存储数据元素
int next; //下一个元素的数组下标
} SLinkList[MaxSize];
void testSLinkList() {
SLinkList a;
//.....后续代码
}
在代码阅读感知方面:
//a是一个Node型数组 struct Node a[MaxSize]; //数组a作为静态链表
//a是一个静态链表 SLinkList a;
2.6.1 基本操作实现
- 初始化静态链表: 把 a[0] 的 next 设为 -1 把其他结点的 next 设为一个特殊值用来表示结点空闲,如 -2
- 查找: 从头结点出发挨个往后遍历结点 (O(n))
- 插入位序为 i 的结点:
- 找到一个空的结点,存入数据元素
- 从头结点出发找到位序为 i-1 的结点
- 修改新结点的 next
- 修改 i-1 号结点的 next
- 删除某个结点:
- 从头结点出发找到前驱结点
- 修改前驱结点的游标
- 被删除结点 next 设为 特殊值(如-2)
2.7 顺序表vs链表
特性 | 顺序表 | 链表 |
---|---|---|
逻辑结构 | 线性结构 | 线性结构 |
存储结构 | 顺序存储 | 链式存储 |
存储结构:
顺序存储:
- 优点:支持随机存取、存储密度高
- 缺点:大片连续空间分配不方便,改变容量不方便
链式存储:
- 优点:离散的小空间分配方便,改变容量方便
- 缺点:不可随机存取,存储密度低
基本操作比较
创建
销毁
增、删
查找
基于基本操作,选取上的优先级
特性 | 顺序表 | 链表 |
---|---|---|
弹性(可扩容) | ✗ | ✔ |
增、删 | ✗ | ✔ |
查 | ✔ | ✗ |
表长难以预估、经常要增加/删除元素 ——链表
表长可预估、查询(搜索)操作较多 ——顺序表