数据结构:基本概念【详解】

友情链接:数据结构专栏

目录

  • 知识框架
  • No.1 什么是数据结构?
    • 一、基本概念和术语
      • 1.数据
      • 2.数据元素
      • 3.数据项
      • 4.数据对象
      • 5.数据结构
    • 二、逻辑结构和物理结构
      • 1.逻辑结构
      • 2.物理结构(存储结构)
    • 三、抽象数据类型
      • 1.数据类型
      • 2.抽象数据类型
  • No.2 算法
    • 一、算法定义
    • 二、算法特性
    • 三、函数的渐进增长
    • 四、算法时间复杂度
      • 1.算法时间复杂度定义
      • 2.推导大O阶方法
      • 3.最坏情况和平均情况
      • 4.算法空间复杂度
  • 附录
    • 下文链接
    • 专栏
    • 参考资料

知识框架

数据结构:基本概念【详解】_第1张图片

数据结构是一门研究非数值计算的程序设计问题中的操作对象,以及它们之间的关系的操作等相关问题的学科

程序设计=数据结构+算法


No.1 什么是数据结构?

一、基本概念和术语

1.数据

数据:是描述客观事物的符号,是计算机中可以操作的对象,是能被计算机识别,并输入给计算机处理的符号集合。(数据不仅包含整型、实型等数值类型,还包括字符及声音、图像、视频等非数值类型。)

2.数据元素

数据元素:是组成数据的、有一定意义的基本单位,在计算机中通常作为整体处理。也被成为记录。(比如:鸡鸭牛羊猪狗等动物就是禽类的数据元素)

3.数据项

数据项:一个数据元素可以由若干个数据项组成。(比如:人可以有眼耳口鼻这些数据项)。
数据项是数据不可分割的最小单位。

数据结构:基本概念【详解】_第2张图片

4.数据对象

数据对象:是性质相同的数据元素的集合,是数据的子集。(什么是性质相同呢,是指数据元素具有相同数量和类型的数据项,比如:人都有姓名、生日、性别等相同的数据项)
既然数据对象是数据的子集,在实际应用中,处理的数据元素通常具有相同性质,在不产生混淆的情况下,我们都将数据对象简称为数据。

5.数据结构

不同的数据元素之间不是独立的,而是存在特定的关系,我们将这些关系成为结构。
数据结构:是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。

二、逻辑结构和物理结构

1.逻辑结构

逻辑结构:是指数据对象中数据元素之间的相互关系。

集合结构
集合结构:集合结构中的数据元素除了同属于一个集合外,他们之间没有其他关系。
数据结构:基本概念【详解】_第3张图片
线性结构
线性结构:线性结构中的数据元素之间是一对一的关系
数据结构:基本概念【详解】_第4张图片
树形结构
树形结构:树形结构中的数据元素之间存在一种一对多的层次关系。
数据结构:基本概念【详解】_第5张图片
图形结构
图形结构:图形结构的数据元素是多对多的关系
数据结构:基本概念【详解】_第6张图片

2.物理结构(存储结构)

物理结构:是指数据的逻辑结构在计算机中的存储形式。
数据元素的存储结构形式有两种:顺序存储和链式存储。
顺序存储结构
顺序存储结构:是把数据存放在地址连续的存储单元里,其数据间的逻辑关系和物理关系是一致的。
顺序存储结构
链式存储结构
链式存储结构:是把数据元素存放在任意的存储单元里,这组存储单元可以是连续的,也可以是不连续的。数据元素的存储关系并不能反映其逻辑关系,因此需要用一个指针存放数据元素的地址,这样通过地址就可以找到相关联数据元素的位置。
数据结构:基本概念【详解】_第7张图片

三、抽象数据类型

1.数据类型

数据类型:是指一组性质相同的值的集合及定义在此集合上的一些操作的总称。
不同的数据类型,开辟出的内存空间也不一样。
在C语言中,按照取值的不同,数据类型可以分为两类:

  • 原子类型:是不可再分解的基本类型,包括整型、实型、字符型。
  • 结构类型:由若干个类型组合而成,是可以再分解的。例如,整型数组是由若干个整型数据组成的。

比如,在C语言中变量生命int a,b,这就意味着,在给变量a和b赋值时不能超出int的取值范围,变量a和b之间的运算只能是int类型所允许的运算。

2.抽象数据类型

抽象是指抽取事物具有的普遍性的本质。
**抽象数据类型(Abstract Data Type, ADT):是指一个数学模型及定义在改模型上的一组操作。**抽象数据类型的定义仅取决于它的一组逻辑特性,而与其他计算机内部如何表示和实现无关。抽象数据类型体现了程序设计中的问题分解、抽象和信息隐藏的特性。

数据结构:基本概念【详解】_第8张图片


No.2 算法

一、算法定义

算法是解决特定问题求解步骤的描述,在计算机中表现为指令的有限序列,并且每条指令表示一个或多个操作。

二、算法特性

算法具有五个基本特性:输入、输出、有穷性、确定性和可行性。
算法的设计要求:正确性、可读性、健壮性、高效率和低存储量需求
算法的度量方法:事后统计方法(不科学、不准确)、事前分析估算方法

三、函数的渐进增长

函数的渐进增长:给定两个函数f(n)和g(n),如果存在一个整数N,使得对于所有的n > N,f(n)总是比g(n)大,那么,我们说f(n)的增长渐进快于g(n)。

判断一个算法效率时,函数中的常熟和其他次要项常常可以忽略,而更应该关注主项(最高阶项)的阶数。

判断一个算法好不好,我们只通过少量的数据是不能做出准确的判断的。如果我们可以对比某些算法的关键执行次数函数的渐进增长性,基本就可以分析出:某个算法,随着n的增大,它会越来越优于另一算法,或者越来越差于另一算法。

四、算法时间复杂度

1.算法时间复杂度定义

在进行算法分析时,语句总的执行次数T(n)是关于问题规模n的函数,进而分析T(n)随n的变化情况并确定T(n)的数量级。
算法的时间复杂度,也就是算法的时间度量,记作: T ( n ) = O ( f ( n ) ) T(n) =O(f(n)) T(n)=O(f(n))。他表示随问题规模n的增大,算法执行时间的增长率和f(n)的增长率相同,称作算法的渐进时间复杂度,简称为时间复杂度。其中f(n)是问题规模n的某个函数。

这样用大写O()来体现算法时间复杂度的记法,我们称之为大O记法
一般情况下,随着n的增大,T(n)增长最慢的算法为最优算法。

常见的时间复杂度

执行次数函数举例 非正式术语
12 O(1) 常数阶
2n+3 O(n) 线性阶
3n2+2n+1 O(n2) 平方阶
5log2n+20 O(logn) 对数阶
2n+3nlog2n+19 O(nlogn) nlogn阶
6n3+2n2+3n+4 O(n3) 立方阶
2n O(2n) 指数阶

所消耗的时间从小到大的比较:

O ( 1 ) < O ( l o g n ) < O ( n ) < O ( n l o g n ) < O ( n 2 ) < O ( n 3 ) < O ( 2 n ) < O ( n ! ) < O ( n n ) O(1) < O(logn) < O(n) < O(nlogn) < O(n^2) < O(n^3) < O(2^n) < O(n!) < O(n^n) O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n2)<O(n3)<O(2n)<O(n!)<O(nn)

2.推导大O阶方法

推导大O阶

  1. 用常数1取代运行时间中的所有加法常数。
  2. 在修改后的运行次数函数中,只保留最高阶项。
  3. 如果最高阶项存在且不是1,则去除与这个项相乘的常数。
    得到的结果就是大O阶。

3.最坏情况和平均情况

我们查找一个有n个随机数字数组的某个数字,最好的情况是第一个数字就是,那么算法的时间复杂度为O(1),但也有可能这个数字就在最后一个位置上待着,那么算法的时间复杂度就是O(n),这就是最坏的一种情况了。
最坏情况运行时间是一种保证,那就是运行时间将不会再坏了。在应用中,这是一种最重要的需求,通常,除非特别指定,我们提到的运行时间都是最坏情况的运行时间。

4.算法空间复杂度

算法的空间复杂度通过计算算法所需的存储空间实现,算法空间复杂度的计算公式记作: S ( n ) = O ( f ( n ) ) S(n) = O(f(n)) S(n)=O(f(n))其中,n为问题的规模,f(n)为语句关于n所占存储空间的函数。

附录

下文链接

数据结构:线性表

专栏

数据结构专栏

参考资料

1、严蔚敏、吴伟民:《数据结构(C语言版)》
2、程杰:《大话数据结构》
3、王道论坛:《数据结构考研复习指导》
4、托马斯·科尔曼等人:《算法导论》

你可能感兴趣的:(数据结构,数据结构,算法)