數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Data Structure)是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、組織數(shù)據(jù)的方式。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指相互之間存在一種或多種特定關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合。通常情況下，精心選擇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)更高的運(yùn)行或者存儲(chǔ)效率。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往同高效的檢索算法和索引技術(shù)有關(guān)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指相互之間存在著一種或多種關(guān)系的數(shù)據(jù)元素的集合和該集合中數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系組成。記為：

Data_Structure=(D,R)

其中?D?是數(shù)據(jù)元素的集合，R?是該集合中所有元素之間的關(guān)系的有限集合。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具體指同一類數(shù)據(jù)元素中各元素之間的相互關(guān)系，包括三個(gè)組成成分，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是指反映數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中的邏輯關(guān)系是指數(shù)據(jù)元素之間的前后件關(guān)系，而與他們?cè)谟?jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)位置無(wú)關(guān)。邏輯結(jié)構(gòu)分為以下幾種：

• 集合結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)元素同屬一個(gè)集合，單個(gè)數(shù)據(jù)元素之間沒(méi)有任何關(guān)系。

• 線性結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素存在一對(duì)一的相互關(guān)系。

• 樹形結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素存在一對(duì)多的相互關(guān)系。

• 圖形結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素存在多對(duì)多的相互關(guān)系。

數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間的存放形式，它包括數(shù)據(jù)元素的機(jī)內(nèi)表示和關(guān)系的機(jī)內(nèi)表示。物理結(jié)構(gòu)又叫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，分為以下幾種：

• 順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：一段連續(xù)的內(nèi)存空間。優(yōu)點(diǎn)：隨機(jī)訪問(wèn)；缺點(diǎn)：插入刪除效率低，大小固定。

• 鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)：不連續(xù)的內(nèi)存空間。優(yōu)點(diǎn)：大小動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，插入刪除效率高；缺點(diǎn)：不能隨機(jī)訪問(wèn)。

• 索引存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：為了方便查找，整體無(wú)序，但索引塊之間有序，需要額外空間，存儲(chǔ)索引表。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)順序查找的一種改進(jìn)，查找效率高；缺點(diǎn)：需額外空間存儲(chǔ)索引。

• 散列存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：選取某個(gè)函數(shù)，數(shù)據(jù)元素根據(jù)函數(shù)計(jì)算存儲(chǔ)位置可能存在多個(gè)數(shù)據(jù)元素存儲(chǔ)在同一位置，引起地址沖。優(yōu)點(diǎn)：查找基于數(shù)據(jù)本身即可找到，查找效率高，存取效率高；缺點(diǎn)：存取隨機(jī)，不便于順序查找。

由于具體實(shí)現(xiàn)的方法有順序、鏈接、索引、散列等多種，所以，一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可表示成一種或多種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的設(shè)計(jì)取決于數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而算法的實(shí)現(xiàn)依賴于采用的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是它的邏輯結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的實(shí)現(xiàn)，為了全面的反映一個(gè)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，它在存儲(chǔ)器中的映象包括兩方面內(nèi)容，即數(shù)據(jù)元素之間的信息和數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系。不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有其相應(yīng)的若干運(yùn)算。數(shù)據(jù)的運(yùn)算是在數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)上定義的操作算法，如檢索、插入、刪除、更新和排序等。

數(shù)據(jù)的運(yùn)算是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方面，討論任一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)都離不開對(duì)該結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)運(yùn)算及其實(shí)現(xiàn)算法的討論。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同于數(shù)據(jù)類型，也不同于數(shù)據(jù)對(duì)象，它不僅要描述數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)對(duì)象，而且要描述數(shù)據(jù)對(duì)象各元素之間的相互關(guān)系。

數(shù)據(jù)類型是一個(gè)值的集合和定義在這個(gè)值集上的一組操作的總稱。數(shù)據(jù)類型可分為兩類：原子類型、結(jié)構(gòu)類型。一方面，在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，每一個(gè)數(shù)據(jù)都屬于某種數(shù)據(jù)類型。類型明顯或隱含地規(guī)定了數(shù)據(jù)的取值范圍、存儲(chǔ)方式以及允許進(jìn)行的運(yùn)算。可以認(rèn)為，數(shù)據(jù)類型是在程序設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另一方面，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)需要引入某種新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，總是借助編程語(yǔ)言所提供的數(shù)據(jù)類型來(lái)描述數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而言，必定存在與它密切相關(guān)的一組操作。若操作的種類和數(shù)目不同，即使邏輯結(jié)構(gòu)相同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能起的作用也不同。不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)其操作集不同，但下列操作必不可缺：

結(jié)構(gòu)的生成；

結(jié)構(gòu)的銷毀；

在結(jié)構(gòu)中查找滿足規(guī)定條件的數(shù)據(jù)元素；

在結(jié)構(gòu)中插入新的數(shù)據(jù)元素；

刪除結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)元素；

遍歷。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類

每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有著獨(dú)特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：數(shù)組、棧、鏈表、隊(duì)列、樹、圖、堆、散列表等，如圖所示：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類

數(shù)組

數(shù)組是可以再內(nèi)存中連續(xù)存儲(chǔ)多個(gè)元素的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)存中的分配也是連續(xù)的，數(shù)組中的元素通過(guò)數(shù)組下標(biāo)進(jìn)行訪問(wèn)，數(shù)組下標(biāo)從0開始。

• 優(yōu)點(diǎn)：

  • 按照索引查詢?cè)厮俣瓤?/p>

  • 按照索引遍歷數(shù)組方便

• 缺點(diǎn)：

  • 數(shù)組的大小固定后就無(wú)法擴(kuò)容了

  • 數(shù)組只能存儲(chǔ)一種類型的數(shù)據(jù)

  • 添加，刪除的操作慢，因?yàn)橐苿?dòng)其他的元素。

適用場(chǎng)景：查詢頻繁，對(duì)存儲(chǔ)空間要求不大，很少增加和刪除的情況。

棧

棧是一種特殊的線性表，僅能在線性表的一端操作，棧頂允許操作，棧底不允許操作。棧的特點(diǎn)是先進(jìn)后出，或者說(shuō)是后進(jìn)先出，從棧頂放入元素的操作叫入棧，取出元素叫出棧。

棧的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)集裝箱，越先放進(jìn)去的東西越晚才能拿出來(lái)，所以，棧常應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)遞歸功能方面的場(chǎng)景，例如斐波那契數(shù)列。

隊(duì)列

隊(duì)列與棧一樣也是一種特殊的線性表，它只允許在表的前端(front)進(jìn)行刪除操作，而在表的后端(rear)進(jìn)行插入操作。隊(duì)列的特點(diǎn)是先進(jìn)先出，或者說(shuō)是后進(jìn)后出，進(jìn)行插入操作的端稱為隊(duì)尾，進(jìn)行刪除操作的端稱為隊(duì)頭，從一端放入元素的操作稱為入隊(duì)，取出元素為出隊(duì)。隊(duì)列中沒(méi)有元素時(shí)，稱為空隊(duì)列。

使用場(chǎng)景：因?yàn)殛?duì)列先進(jìn)先出的特點(diǎn)，在多線程阻塞隊(duì)列管理中非常適用。

鏈表

鏈表是物理存儲(chǔ)單元上非連續(xù)、非順序的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，它既可以表示線性結(jié)構(gòu)，也可以用于表示非線性結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)元素的邏輯順序是通過(guò)鏈表的指針地址實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介鏈表由一系列結(jié)點(diǎn)(鏈表中每一個(gè)元素稱為結(jié)點(diǎn))組成，結(jié)點(diǎn)可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成。每個(gè)結(jié)點(diǎn)包括兩個(gè)部分：一個(gè)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)域，另一個(gè)是存儲(chǔ)下一個(gè)結(jié)點(diǎn)地址的指針域。根據(jù)指針的指向，鏈表能形成不同的結(jié)構(gòu)，例如單鏈表，雙向鏈表，循環(huán)鏈表等。

• 鏈表的優(yōu)點(diǎn)：

  • 鏈表是很常用的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不需要初始化容量，可以任意加減元素；

  • 添加或者刪除元素時(shí)只需要改變前后兩個(gè)元素結(jié)點(diǎn)的指針域指向地址即可，所以添加，刪除很快；

• 缺點(diǎn)：

  • 因?yàn)楹写罅康闹羔樣?#xff0c;占用空間較大；

  • 查找元素需要遍歷鏈表來(lái)查找，非常耗時(shí)。

適用場(chǎng)景：數(shù)據(jù)量較小，需要頻繁增加，刪除操作的場(chǎng)景。

樹

樹是由n(n>0)個(gè)有限節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)具有層次關(guān)系的集合。把它叫做樹是因?yàn)樗雌饋?lái)像一棵倒掛的樹，也就是說(shuō)它是根朝上，而葉朝下的。它具有以下的特點(diǎn)：

• 有且僅有一個(gè)根結(jié)點(diǎn)(沒(méi)有父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為根節(jié)點(diǎn))；

• 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有零個(gè)或多個(gè)子節(jié)點(diǎn)；

• 每一個(gè)非根節(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)；

• 除了根節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)可以分為多個(gè)不相交的子樹；

在日常的應(yīng)用中，我們討論和用的更多的是樹的其中一種結(jié)構(gòu)，就是二叉樹。二叉樹是樹的特殊一種，具有如下特點(diǎn)：

• 每個(gè)結(jié)點(diǎn)最多有兩顆子樹，結(jié)點(diǎn)的度最大為2。

• 左子樹和右子樹是有順序的，次序不能顛倒。

• 即使某結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)子樹，也要區(qū)分左右子樹。

二叉樹是一種比較有用的折中方案，它添加，刪除元素都很快，并且在查找方面也有很多的算法優(yōu)化，所以，二叉樹既有鏈表的好處，也有數(shù)組的好處，是兩者的優(yōu)化方案，在處理大批量的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)方面非常有用。

堆

堆是一種特殊的樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)值。堆的特點(diǎn)是根結(jié)點(diǎn)的值最小或最大，且根結(jié)點(diǎn)的兩個(gè)子樹也是一個(gè)堆。它具有以下的特點(diǎn)：

• 堆中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的值總是不大于或不小于其父節(jié)點(diǎn)的值；

• 堆總是一棵完全二叉樹。

將根節(jié)點(diǎn)最大的堆叫做最大堆或大根堆，根節(jié)點(diǎn)最小的堆叫做最小堆或小根堆。常見(jiàn)的堆有二叉堆、斐波那契堆等。因?yàn)槎延行虻奶攸c(diǎn)，一般用來(lái)做數(shù)組中的排序，稱為堆排序。

圖

圖是由結(jié)點(diǎn)的有窮集合 V 和邊的集合 E 組成。其中，為了與樹形結(jié)構(gòu)加以區(qū)別，在圖結(jié)構(gòu)中常常將結(jié)點(diǎn)稱為頂點(diǎn)，邊是頂點(diǎn)的有序偶對(duì)，若兩個(gè)頂點(diǎn)之間存在一條邊，就表示這兩個(gè)頂點(diǎn)具有相鄰關(guān)系。

按照頂點(diǎn)指向的方向可分為無(wú)向圖和有向圖。圖是一種比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上有著比較復(fù)雜和高效的算法，分別有鄰接矩陣 、鄰接表、十字鏈表、鄰接多重表、邊集數(shù)組等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

散列表

散列表也叫哈希表，是根據(jù)鍵和值(key 和 value)直接進(jìn)行訪問(wèn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)?key?和?value?來(lái)映射到集合中的一個(gè)位置，這樣就可以很快找到集合中的對(duì)應(yīng)元素。

f(key)?稱為散列函數(shù)或哈希函數(shù)，用來(lái)記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置，若結(jié)構(gòu)中存在鍵和?key?相等的記錄，則必定在?f(K)?的存儲(chǔ)位置上。而散列表就是把?key?通過(guò)一個(gè)固定的算法函數(shù)(哈希函數(shù))轉(zhuǎn)換成一個(gè)整型數(shù)字，然后就將該數(shù)字對(duì)數(shù)組長(zhǎng)度進(jìn)行取余，取余結(jié)果就當(dāng)作數(shù)組的下標(biāo)，將?value?存儲(chǔ)在以該數(shù)字為下標(biāo)的數(shù)組空間里，這種存儲(chǔ)空間可以充分利用數(shù)組的查找優(yōu)勢(shì)來(lái)查找元素，所以查找的速度很快。

哈希表在應(yīng)用中也是比較常見(jiàn)的，就如 Java 中有些集合類就是借鑒了哈希原理構(gòu)造的，例如?HashMap、Hashtable?等，利用哈希表的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于集合的查找元素時(shí)非常方便的，然而，因?yàn)楣１硎腔跀?shù)組衍生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在添加刪除元素方面是比較慢的，所以很多時(shí)候需要用到一種數(shù)組鏈表來(lái)做，也就是拉鏈法。拉鏈法是數(shù)組結(jié)合鏈表的一種結(jié)構(gòu)，較早前的?HashMap?底層的存儲(chǔ)就是采用這種結(jié)構(gòu)，直到 JDK 1.8 之后才換成了數(shù)組加紅黑樹的結(jié)構(gòu)。

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数据结构简介的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。