數據結構的定義和簡介

1. 概述

數據結構定義:

我們如何把現實中大量而復雜的問題以特定的數據類型和特定的存儲結構保存到主存儲器(內存)中,以及在此基礎上為實現某個功能(如元素的CURD、排序等)而執行的相應操作，這個相應的操作也叫算法。

數據結構 = 元素 + 元素的關系

算法 = 對數據結構的操作

算法:

算法就是：解決問題的方法和步驟

衡量算法有如下標準:

時間復雜度

程序要執行的次數，并非執行時間

空間復雜度

算法執行過程中大概要占用的最大內存

難易程度(可讀性)

健壯性

2. 數據結構的特點和地位

地位:

數據結構處于軟件中核心的地位。

如計算機內存中棧和堆的區別，不懂數據結構的人可能會認為內存就是分兩大部分，一塊叫棧，一塊叫堆，顯然這是非常膚淺且不正確的結論。

實際上如果一塊內存是以壓棧出棧的方式分配的內存，那么這塊內存就叫棧內存，如果是以堆排序的方式分配的內存，那么這塊內存就叫堆內存，其最根本的區別還是其內存分配算法的不同。

例如，函數的調用方式也是通過壓棧出棧的方式來調用的，或者操作系統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，這也是數據結構里面的內容、或者計算機編譯原理里面有語法樹的概念，這實際上就是數據結構里面的樹，比如軟件工程、數據庫之類都有數據結構的影子。

特點:

數據結構修煉的是內功，并不能直接立竿見影的可以解決現實問題，但是有了這門內功會在其他方面的學習中對你大有益處。

預備知識（C語言）

學習數據結構應該具備如下知識：

指針

結構體

動態內存的分配和釋放

跨函數使用內存

本小節主要介紹學習數據結構應該有的基礎，并對相關知識稍作講解。

指針

指針是 C語言 的靈魂，重要性不需多言。

指針定義

地址：

地址是內存單元的編號

其編號是從 0 開始的非負整數

范圍： 0 – 0xFFFFFFFF (232 - 1) 注：此指x86平臺，x64平臺下最大內存地址為 (264 - 1)

指針：

指針就是地址，地址就是指針。

指針變量是存放內存單元地址的變量,它內部保存的值是對應的地址,地址就是內存單元的編號(如內存地址值：0xffc0)。

指針的本質是一個操作受限的非負整數

在計算機系統中，CPU 可以直接操作內存，關于 CPU 對內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 ： 控制該數據單元的讀寫屬性

數據線 ： 傳輸 CPU 和內存之間的數據

指針的分類

基本類型的指針

int i = 10; // 定義一個 ×××變量 i 初始值 10

int *p = i; // 定義一個 ×××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;兩者是一塊內存空間，里面的值一變具變。

指針和函數

// 修改外部實參的值

void func(int * p)

{

*p = 100; // 函數內修改外部變量的值

}

// 修改外部實參的值，二級指針的值

void func2(int ** p)

{

*p = 100;

// 函數內修改外部變量的值 ，這里實際修改的是指針的內部的地址，這里直接自己修改并不嚴謹也不安全，只是為了表達意思

}

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;

}

// 通過函數調用，改變函數外部變量（實參）的值

指針和數組

【指針】 和 【一維數組】

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 是數組中第一個元素，每個元素占用內存單位長度相同，

// a[i] 中的 i 實際代表的是單位長度的倍數

數組名:

一維數組名是個指針常量(它的值不可變)

它存放的是該一維數組的第一個元素的地址(一維數組名指向其第一個元素)

下標和指針的關系:

(1)、 a[i] 等價于 *(a + i)

(2)、假設指針變量的名字為 p,

則 p + i 的值為 p + i * (p 所指向的變量所占字節數)

(3)、每個下標表示的是第 i+1 個元素，根據元素類型分配的字節長度不同(int 類型4個字節)，每個字節都有對應的內存地址編號，指針變量 p 保存的是該元素首字節的地址。

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組，則可以相減

指針變量可以加減一個整數，前提是最終結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數)

p - i 的值是 p - i*(所指向的變量所占字節數)

p++ 等價于 p + 1

p– 等價于 p - 1

// 下面是一個通過函數修改數組內部元素

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); // 調用

}

結構體

為什么會出現結構體?

為了表示一些復雜的數據，而普通的基本數據無法滿足要求.

什么叫結構體

結構體是用戶根據實際需要，自己定義的復合數據類型

// 如學生類型

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;

};

如何使用結構體

總結起來有兩種結構體的使用方式：直接使用 && 通過指針使用

struct Student ss = {12,”xiaoyou”,1.73,”xiaozhang”};

struct Student *pst = &ss;

ss.name ; 這里直接操作結構體本身

pst -> name ; 這里通過指針地址操作，更加節省空間

struct Student{ // 自定義結構體

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

結構體變量的類型為： struct Student

結構體變量不能加減乘除，但是能夠相互賦值

普通結構體變量和結構體指針變量作為函數傳參的問題

typedef struct Student{ // 結構體定義

int age;

char * name;

char name2[100];

double height;

}myStudent;

// 直接傳遞整個結構體數據，耗時 && 浪費內存空間

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);

}

動態內存分配和釋放

平時直接創建數組的寫法都是靜態創建，創建完畢之后在整個程序的運行過程中，會固定占用對應的內存，不僅會造成內存空間浪費，還無法動態添加元素，所以局限性很大，而程序中我們為了避免這種情況，應該使用動態的方式創建和銷毀數組。

// 靜態創建數組

int a[5] = {1,2,3,4,5};

動態構造一維數組

動態構造一個 int 型的一維數組。

int p = (int )malloc(int length);

void * malloc(size_t __size) 函數,只有一個 int 類型的形參，表示要求系統分配的字節數

malloc 函數的功能是請求系統 length 個字節的內存空間，如果請求完成則返回的是第一個字節的地址，

如果請求不成功，則返回NULL

malloc 函數能且只能返回第一個字節的地址，所以我們需要把沒有實際意義的第一個字節地址（干地址）轉化為一個有實際意義的地址，

所以 malloc 前面必須加(數據類型 *)，表示把這個無意義的地址轉化為對應類型的地址

實例：

int p = (int )malloc(50);

表示將系統分配的 50 個字節的第一個字節的地址轉化為 int 類型的地址，準確的說是轉化為 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··· p+i 就指向了第 i+1 個四個字節，p[0],p[i]也就分別是第一個，第i+1個元素。

double *p = (double *)malloc(80);

表示將系統分配的 80 個字節的第一個字節的地址轉化為 double 類型的地址，準確的說是轉化為 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··· p+i 就指向了第 i+1 個八個字節，p[0],p[i]也就分別是第一個，第i+1個元素。

free(p);

釋放 p 所指向的內存，而不是釋放 p 本身所占用的內存

代碼示例如下：

void test2(void)

{

int len;

printf(“請輸入你要動態創建的數組長度:”);

scanf(“%d”,&len);

int *pArr = (int *)malloc(len); // 動態創建數組

*pArr = 4; // 相當于 a[0] = 4; 這里 pArr 就等于數組首地址，等于數組名

pArr[2] = 5; // 相當于 a[2] = 5;

printf("pArr[0] = %d \npArr[2] = %d\n",pArr[0],pArr[2]);

free(pArr); // 使用完畢，釋放對應的數組空間

}

跨函數使用內存

在函數內部分配的局部變量，在函數調用完成之后就會被系統回收，其內存也會消失。但是程序中常常需要定義一塊內存，當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存，應該用動態分配內存，當用完之后再手動釋放。這也是C語言的一個不足之處：內存需要我們手動創建和手動釋放，這也是 OC 語言在開發 iOS 程序時候，我們所講的MRC。【蘋果也發現了這個不足，于 iOS 5 的時候推出了ARC 】

下面是一個跨函數使用內存的例子：

// 這個例子已經非常有面向對象的味道了

typedef struct Student{ // 自定義 student 結構體

int age;

char * name;

}myStudent;

myStudent * createStudent(void); // 創建 student

void showStudent(myStudent *); // 輸出 student

int main(void) {

myStudent *p = createStudent(); // 創建 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);

}

結語

感謝您的觀看，如有不足之處，歡迎批評指正。

如果有對大數據感興趣的小伙伴或者是從事大數據的老司機可以加群：

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歡迎大家交流分享，學習交流，共同進步。（里面還有大量的免費資料，幫助大家在成為大數據工程師，乃至架構師的路上披荊斬棘！）

最后祝福所有遇到瓶頸的大數據程序員們突破自己，祝福大家在往后的工作與面試中一切順利。