[一篇读懂]C语言八讲:数据结构概述

[一篇读懂]C语言八讲:数据结构概述

  • 1. 与408关联解析及本节内容介绍
    • 1 与408关联解析
    • 2 本节内容介绍
  • 2. 逻辑结构与存储结构
    • 1 逻辑结构
    • 2 存储结构
      • 顺序存储
      • 链式存储
    • 3 顺序存储与链式存储分析
      • 顺序存储优缺点
      • 链式存储优缺点
  • 3. 时间复杂度与空间复杂度
    • 1 算法定义
    • 2 时间复杂度
      • 【示例程序1】
      • 【示例程序2】
      • 【示例程序3】
      • 【示例程序4】
      • 【示例程序5】
      • 【示例程序6】
      • 【思考题】
    • 3 空间复杂度
  • 总结
    • 2
    • 2.2
    • 2.3
    • 3.1
    • 3.2
    • 3.3


1. 与408关联解析及本节内容介绍

1 与408关联解析

【2009年真题单选第一题】

  1. 为解决计算机主机与打印机之间速度不匹配问题,通常设置一个打印数据缓冲区,主机将要输出的数据依次写入该缓冲区,而打印机则依次从该缓冲区中取出数据。该缓冲区的逻辑结构应该是______。
    A.栈
    B.队列
    C.树
    D.图

【2014年真题单选第一题】

  1. 下列程序段的时间复杂度是_____。
count = 0;
for(k = 1; k <= n; k *= 2)
	for(j = 1; j <= n; j++)
		count++;

A. O ( log ⁡ 2 n ) O\left( \log _2n \right) O(log2n)
B. O ( n ) O\left( n \right) O(n)
C. O ( n log ⁡ 2 n ) O\left(n\log _2n \right) O(nlog2n)
D. O ( n 2 ) O\left( n^2 \right) O(n2)

【2017年真题单选第一题】

  1. 下列函数的时间复杂度是
int func(int n)
{
	int i = 0, sum = 0;
	while(sum < n) sum += ++i;
	return i;
}

A. O ( log ⁡ n ) O\left( \log n \right) O(logn)
B. O ( n 1 / 2 ) O\left( n^{1/2} \right) O(n1/2)
C. O ( n ) O\left(n \right) O(n)
D. O ( n log ⁡ n ) O\left( n\log n \right) O(nlogn)

【2019年真题单选第一题】

  1. 设n是描述问题规模的非负整数,下列程序段的时间复杂度是
x=0;
while(n >= (x + 1) * (x + 1))
	x = x + 1;

A. O ( log ⁡ n ) O\left( \log n \right) O(logn)
B. O ( n 1 / 2 ) O\left( n^{1/2} \right) O(n1/2)
C. O ( n ) O\left(n \right) O(n)
D. O ( n 2 ) O\left( n^2 \right) O(n2)

以及综合应用题也要求说明设计的算法的时间复杂度,或者空间复杂度。

2 本节内容介绍

本节分为两小节讲解。

  • 第一小节主要讲解什么是逻辑结构,逻辑结构有哪些,什么是存储结构,存储结构有哪些逻辑结构和存储结构之间有什么关系。
  • 第二小节主要讲解什么是时间复杂度,时间复杂度如何计算,各种例子实战时间复杂度的计算,什么是空间复杂度。

2. 逻辑结构与存储结构

两者对比:

  • 逻辑结构:数据元素之间的逻辑关系 - 抽象的
    对人友好
  • 存储结构:数据结构在计算机中的表示 - 具体的
    对计算机友好

1 逻辑结构

[一篇读懂]C语言八讲:数据结构概述_第1张图片

2 存储结构

1

  • 计算机中任何逻辑结构,都能由顺序存储和链式存储来实现。

顺序存储

  • 典型的顺序存储 - 数组
    [一篇读懂]C语言八讲:数据结构概述_第2张图片

C语言实现:

int Array[6]={ l,2,3,4,5,6};//定义数组并初始化
printf ("%d\n", Array[3])//随机访问第4个元素
  • 可以任意访问某个地址,时间复杂度相等

链式存储

[一篇读懂]C语言八讲:数据结构概述_第3张图片

  • 每个元素不连续,通过指针指向下一个节点。

C语言实现:

Typdef struct Lnode
{
	ElemType data;
	struct Lnode *next;
}Lnode,*LinkList;
Lnode *L;
L = (LinkList)malloc(sizeof(Lnode));
A -> next = B; B -> next = C

3 顺序存储与链式存储分析

顺序存储优缺点

优点:

  1. 可以实现随机存取。
  2. 每个元素占用最少的空间。

缺点:

  1. 只能使用整块的存储单元,会产出较多的碎片。

链式存储优缺点

优点:

  1. 充分利用所有存储单元,不会出现碎片现象。

缺点:

  1. 需要额外的存储空间用来存放下一结点的指针。
  2. 只能实现顺序存取。

3. 时间复杂度与空间复杂度

1 算法定义

  • 算法的定义:对特定问题求解步骤的描述。
  • 算法的特性:有穷;确定;可行;输入;输出。

2 时间复杂度

  • 时间复杂度指算法中所有语句的频度(执行次数)之和。
  • 记为: T ( n ) = O ( f ( n ) ) T(n)=O(f(n)) T(n)=O(f(n))
    其中, n n n是问题的规模; f ( n ) f(n) f(n)是问题规模 n n n的某个函数。

表示随着问题规模n的增大,算法执行时间的增长率和f(n)的增长率相同。

  • 常见的时间复杂度:
    O ( 1 ) < O ( log ⁡ 2 n ) < O ( n ) < O ( n log ⁡ 2 n ) < O ( n 2 ) < O ( n 3 ) < O ( 2 n ) < O ( n ! ) O\left( 1 \right) O(1)<O(log2n)<O(n)<O(nlog2n)<O(n2)<O(n3)<O(2n)<O(n!)

最高阶数越小,说明算法的时间性能越好。

常见的时间复杂度量级:

【示例程序1】

int sum = 0; //执行一次
sum = n *(n+1)/2; //执行一次
printf("%d", sum); //执行一次

算法的执行次数等于3。
时间复杂度为 T ( n ) = O ( 1 ) T(n)=O(1) T(n)=O(1)
表示不会随n的增长而增长。

并没有循环,程序只执行了一次。
执行次数是固定的。
不存在O(2)、O(3)等等。

【示例程序2】

【2011年计算机联考真题】

int x = 2; 
while(x < n / 2)
	x = 2 * x;

执行频率最高的语句为“x=2*x”。
设该语句共执行了t次,则 2 t + 1 < n / 2 2^{t+1}2t+1<n/2,故 t = l o g 2 ( n / 2 ) − 1 = l o g 2 n − 2 t=log_2(n/2)-1=log_2n-2 t=log2(n/2)1=log2n2
时间复杂度 T ( n ) = O ( l o g 2 n ) T(n)=O(log_2n) T(n)=O(log2n)

x的值为2、4、8、16……,即2的幂次增长。
运行t次,x为 2 t + 1 2^{t+1} 2t+1 < n / 2 <n/2,两边同时取对数。
得到t。

【示例程序3】

int sum = 0, i = 1; 
while(i < n)
{
	sum = sum + i;
	i++;
}
printf("%d",sum);

执行频率最高的语句是while循环体中的代码。
一共执行n-1次。
时间复杂度 T ( n ) = O ( n ) T(n)=O(n) T(n)=O(n)

【示例程序4】

int i, x = 2; 
for(i = 0; i < n; i++)
{
	x = 0;
	while(x < n / 2)
		x = 2 * x;
}

执行频率最高的语句为“x=2*x”。
设该语句内层循环执行了 l o g 2 n 次 log_2n次 log2n,外层执行了n次,因此总计执行次数为 n l o g 2 n nlog_2n nlog2n次。
时间复杂度 T ( n ) = O ( n l o g 2 n ) T(n)=O(nlog_2n) T(n)=O(nlog2n)

【示例程序5】

int i, j; 
for(i = 0; i < n; i++)
{
	for(j = 0; j < m; j++)
		sum = sum + 1;
}

对于外层循环,相当于内部时间复杂度为O(m)的语句再循环n次。
所以时间复杂度 T ( n ) = O ( m × n ) T(n)=O(m×n) T(n)=O(m×n)
如果m=n,则时间复杂度 T ( n ) = O ( n 2 ) T(n)=O(n^2) T(n)=O(n2)

时间复杂度的乘法规则

【示例程序6】

int sum1 = 0, sum2 = 0, i, j; 
for(i = 0; i < n; i++)
	sum1 = sum1 + i;
for(j = 0; j < m; j++)
	sum2 = sum2 + j;
printf("%d, %d", sum1, sum2);
}

两个循环没有嵌套,串行执行。
所以时间复杂度 T ( n ) = O ( n ) + O ( m ) T(n)=O(n)+O(m) T(n)=O(n)+O(m)
取最大的,即时间复杂度 T ( n ) = m a x ( O ( n ) , O ( m ) ) T(n)=max(O(n),O(m)) T(n)=max(O(n),O(m))

时间复杂度的加法规则

【思考题】

如果一个算法的执行次数为 3 n 3 + 5 n 3n^3+5n 3n3+5n,那么该算法的时间复杂度为多少?

答案是 O ( n 3 ) O(n^3) O(n3)

  • 时间复杂度计算忽略高阶项系数和低阶项。

3 空间复杂度

  • 空间复杂度S(n)指算法运行过程中所使用的辅助空间的大小。

  • 记为:
    S ( n ) = O ( f ( n ) ) S(n)=O(f(n)) S(n)=O(f(n))

  • 除了需要存储算法本身的指令、常数、变量和输入数据外,还需要存储对数据操作的存储单元。

  • 若输入数据所占空间只取决于问题本身,和算法无关,这样只需分析该算法在实现时所需的辅助单元即可。

  • 算法原地工作是指算法所需的辅助空间是常量,即 O ( 1 ) O(1) O(1)

空间复杂度 O ( 1 ) O(1) O(1)
例如,n个元素数组排序,不使用额外的空间(随着n的增长而增长的空间),空间复杂度就是 O ( 1 ) O(1) O(1)


总结

2

  • 逻辑结构:数据元素之间的逻辑关系 - 抽象的
    对人友好
  • 存储结构:数据结构在计算机中的表示 - 具体的
    对计算机友好

2.2

  • 计算机中任何逻辑结构,都能由顺序存储和链式存储来实现。

2.3

顺序存储优缺点:
优点:

  1. 可以实现随机存取。
  2. 每个元素占用最少的空间。

缺点:

  1. 只能使用整块的存储单元,会产出较多的碎片。

链式存储优缺点:
优点:

  1. 充分利用所有存储单元,不会出现碎片现象。

缺点:

  1. 需要额外的存储空间用来存放下一结点的指针。
  2. 只能实现顺序存取。

3.1

  • 算法的定义:对特定问题求解步骤的描述。
  • 算法的特性:有穷;确定;可行;输入;输出。

3.2

  • 时间复杂度指算法中所有语句的频度(执行次数)之和。
  • 记为: T ( n ) = O ( f ( n ) ) T(n)=O(f(n)) T(n)=O(f(n))
    其中, n n n是问题的规模; f ( n ) f(n) f(n)是问题规模 n n n的某个函数。

表示随着问题规模n的增大,算法执行时间的增长率和f(n)的增长率相同。

  • 常见的时间复杂度:
    O ( 1 ) < O ( log ⁡ 2 n ) < O ( n ) < O ( n log ⁡ 2 n ) < O ( n 2 ) < O ( n 3 ) < O ( 2 n ) < O ( n ! ) O\left( 1 \right) O(1)<O(log2n)<O(n)<O(nlog2n)<O(n2)<O(n3)<O(2n)<O(n!)

最高阶数越小,说明算法的时间性能越好。

  • 时间复杂度计算忽略高阶项系数和低阶项。

3.3

  • 空间复杂度S(n)指算法运行过程中所使用的辅助空间的大小。

  • 记为:
    S ( n ) = O ( f ( n ) ) S(n)=O(f(n)) S(n)=O(f(n))

  • 除了需要存储算法本身的指令、常数、变量和输入数据外,还需要存储对数据操作的存储单元。

  • 若输入数据所占空间只取决于问题本身,和算法无关,这样只需分析该算法在实现时所需的辅助单元即可。

  • 算法原地工作是指算法所需的辅助空间是常量,即 O ( 1 ) O(1) O(1)

空间复杂度 O ( 1 ) O(1) O(1)
例如,n个元素数组排序,不使用额外的空间(随着n的增长而增长的空间),空间复杂度就是 O ( 1 ) O(1) O(1)

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