《数据结构》实验报告-实验一 线性结构及其应用

《数据结构》实验报告-实验一 线性结构及其应用

一、问题分析

题目要求收集两个班的学生成绩信息并按降序排列，其中每个学生的数据包括班级，学号和成绩信息，需要用一个结构体作为整体存储。并且数据是可以不断添加进来的，可以用两个线性表分别来存储两个班级的学生信息。但是如果用数组等顺序存储的方式来存储数据，每次存储一位学生的信息都要进行大量移动操作，并且学生数量未知，用顺序存储可能造成资源的浪费。这时利用链表的插入和删除操作时间复杂度仅为O（1）的良好特性，并且可以根据实际情况动态扩展内存，可以选择线性链表为存储结构。合并两个班级的学生信息，可以用链表的归并算法，因为两个链表都是有序的，归并的时间复杂度为O（n）。

二、详细设计

2.1 设计思想

1、选择线性链表做为存储结构。
每一个节点包含学生的三个信息信息和一个指向下一个节点的指针，节点与节点之间通过降序连接起来。每次要插入一个元素，先动态申请内存，遍历链表找到第一个不比它成绩值大的元素，在它前面插入该元素（要考虑插入位置为链表头和尾的特殊情况）。这样就可以按降序建立一个班级的链表，不用每次增加元素都要进行排序，十分方便。两个班级的链表分别用两个头指针管理，可以构造一个指针数组来存储这两个头指针，这样在不只是2个班级的情况下只需增加数组的大小即可。

2、链表的遍历

遍历时先判断是否为空表，如果不为空则用一个新指针指向第一个节点，通过节点与节点之间的联系便可以遍历链表。遍历链表时可以进行匹配学号操作，实现按照学号查询成绩和删除学生信息。也可以打印全部学生信息。

3、链表的合并和反转

运用归并算法进行两个有序链表的合并。分别用两个指针指向两个链表的头结点，大的就添加为一个新链表的节点，循环比较。这样就可以得到一个合并了两个班级信息的新链表。反转则利用两个指针，第一个指向合并后的新链表节点，第二个指向一个逆序建立链表的反转节点，先复制原合并链表指针指向节点的数据，让他指向反转指针指向的节点，再让反转指针指向这个新节点。循环后便可以O(n)的时间复杂度构建一个反转链表。
2.2 存储结构及操作
(1) 存储结构（一般为自定义的数据类型，比如单链表，栈等。）
链表节点结构体StudentLinkedListNode
内容包括ClassID（班级）,StuID（学号）,Grade(成绩，以上均为int类型)，指向结构体StudentLinkedListNode的指针next。
(2) 涉及的操作（一般为自定义函数，可不写过程，但要注明该函数的含义。）

2.3 程序整体流程
整体流程：

核心算法流程：
（1）插入节点studentLinkedListAdd：

（2）遍历链表（查找，删除，查找）
searchByID
deleteByID
outputStudentLinkedList：

（3）合并链表
mergeLinkedList

（4）翻转链表
reverseLinkedList

三、用户手册

如：(1)输入数据的方式；(2)实现各种功能的操作方式等。
进入程序，首先会出现一个选择操作菜单。
1.insert 2.search by StuID 3.delete by StuID 4.merge 5.reverse 6.output 7.exit
输入上述之一的数字后回车即可进入相应的操作功能，退出程序请按7。
输入1将插入数据，程序会提示
How many rows of data do you need to input?
输入你本次要插入的学生信息总行数，如果输入行数小于1，将会提示输入的行数不能小于1，要求重新输入直到输入的行数大于0，会显示
input the %d row data format as:class_id,student_id,grade
请按顺序输入学生班级，学号和成绩，到遇到输入班级不是0或1、学号小于0和成绩小于0的异常输入，将会提示您重新输入，直到正确输入完要求输入的行数的数据后再次显示选择菜单。
特色：输入已存在于链表的学号（同一班级）时，会提示
学号为XXX的学生信息已存在，请重新输入：
验证数据：
输入
1,190110424,99
1,190110424,98
输出
学号为190110424的学生信息已存在，请重新输入：

输入2，进入按学号查找学生信息的功能，程序会提示
input the data format as: ClassID, StuID
按照指示依次输入班级和学号，如果输入的班级不是1或2，或者输入学号小于0，将直接输出未找到，否则，将进入所在班级表中进行查找，找到则输出该学生的信息，否则输出未找到。

输入3，进入按学号删除学生信息的功能，程序会提示
input the data format as: ClassID, StuID
按照指示依次输入班级和学号，如果输入的班级不是0或1，或者输入学号小于0，将直接输出未找到，否则，将进入所在班级表中进行查找，找到则删除该学生的信息，否则输出未找到。

输入4，将进入合并两个班级成绩的功能，无需输入，程序会按降序输出两个班级合并后学生成绩情况 ，其中既包含0班同学也包含1班同学，同时降序性不变。

输入5，将进入翻转合并两个班级的链表的功能，无需输入，如果之前未执行操作4的合并操作，程序将提示为空表，否则程序会按升序输出两个班级合并后学生成绩情况 ，即翻转了降序排列的合并链表。
输入6，将进入输出全部学生成绩的功能，程序将分别输出两个班各自的学习成绩情况，无需输入。

输入7，退出程序。
输入其他数字，都会提示
指令只能为1-7之间的某个整数值

整体特色：
在所有可以输入指令的地方输入非法字符，将提示：
输入的信息中含非法字符，请检查输入格式再请重新输入：
循环直到输入数据符合要求才会继续运行程序。
输入
，，。。
输出
输入的信息中含非法字符，请检查输入格式再请重新输入：

四、结果

程序正确运行的结果截图。
输入1，执行插入数据功能

输入2，按班级和学号查找学生信息

输入3，按照班级和学号删除学生信息功能

输入4，合并两个班级链表功能

输入5，翻转合并后链表的功能

输入6，按班级输出所有学生成绩

输入7退出程序

非法输入

五、总结

该实验涉及到的数据结构和算法，以及遇到的问题和收获。
这次实验是基于可以动态扩展的线性链表完成的。在按降序插入学生的成绩时，线性链表的延展性强，灵活性高的特点得以充分体现。如若采用静态存储的方式，将提高程序的时间复杂度，且资源的利用率比较低。利用线性链表，可以根据实际情况随时插入数据，并不干扰其他数据的位置。在建立了链表的基础上，删除，查找和输出操作都变得十分简单。同时利用归并算法，巧妙的合并了两个有序的链表，时间和空间的效率都很高。最后采用原地翻转的方式将链表翻转成新的链表，从降序变成升序，管理学生的成绩就变得很方便了。
但是，程序还是存在许多可以改进的地方。比如许多操作需要建立在其他操作已经完成的基础上才能输出，比如如果没有执行合并链表操作就不能执行翻转链表的操作。甚至没有执行过一次插入操作也不能进行查找和删除。虽然并不会导致程序崩溃（直接输出为空表或者没找到），但是会让用户体验变差。可以让用户在执行一个空操作时（链表为空），先转到让链表不为空的操作，先输入数据再执行其他操作，这样提示就可以让用户更加便捷的完成业务。
在设计程序的过程中，收获颇丰。首先是对异常输入的拦截，对于不是整型的非法输入，都进行了有效拦截，防止导致程序崩溃。同时在开发中也学会了如何在一个大框架内填充逻辑，运用所学的知识，将数据结构化成真正实用的工具，极大方便了针对任务的开发任务。在写完程序后，大部分时间都用在了实验报告的完善上，学会了怎样总结实验，利用流程图清楚表达实验过程，填写用户手册，真正完成了一个小项目。这让我对未来的学习充满了希望。