2.1 线性表的定义
线性表是具有相同数据类型的n (n>0)个数据元素的有限序列,其中n为表长,当n =0时线性表是一个空表。若用L命名线性表,则其一般表示为
式中,是唯一的“第一个”数据元素,又称表头元素;是唯一的“最后一个”数据元素,又称表尾元素。除第一个元素外,每个元素有且仅有一个直接前驱;除最后一个元素外,每个元素有且仅有一个直接后继。
线性表的特点如下:
- 表中元素的个数有限
- 表中元素具有逻辑上的顺序性,表中元素有其先后次序
- 表中元素都是数据元素,每个元素都是单个元素
- 表中元素的数据类型都相同,这意味着每个元素占有相同大小的存储空间
- 表中元素具有抽象性,即仅讨论元素之间的逻辑关系,而不考虑元素究竟表示什么内容
2.2 线性表的基本操作
InitList(&L):初始化表。构造一个空的线性表L,分配内存空间。
DestroyList(&L):销毁操作。销毁线性表,并释放线性表L所占用的内存空间。
ListInsert(&L,i,e):插入操作。在表L中的第i个位置上插入指定元素e。
ListDelete(&L,i,&e):删除操作。删除表L中第i个位置的元素,并用e返回删除元素的值。
LocateElem(L,e):按值查找操作。在表L中查找具有给定关键字值的元素。
GetElem(L,i):按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值。
Length(L):求表长。返回线性表L的长度,即L中数据元素的个数。
PrintList(L):输出操作。按前后顺序输出线性表L的所有元素值。
Empty(L):判空操作。若L为空表,则返回true,否则返回false。
2.3 线性表的数据表示
2.3.1 顺序表的定义
线性表的顺序存储又称顺序表。它是用一组地址连续的存储单元依次存储线性表中的数据元素,从而使得逻辑上相邻的两个元素在物理上也相邻,元素之间的关系由存储单元的邻接关系来体现。
其优点是可随机存取,存储密度高,缺点是要求大片的连续空间,改变容量不方便
假设线性表存储的起始位置为,是每个数据元素所占用的存储空间的大小,则
数组下标 | 顺序表 | 内存地址 |
---|---|---|
2.3.2 顺序表的实现
2.3.2.1 静态分配
在静态分配时,由于数组的大小和空间事先已经固定,一旦空间占满,再加入新的数据就会产生溢出,进而导致程序崩溃。
假设线性表的数据元素一类型为ElemType,则线性分配代码如下所示:
#include<stdio.h>
#define MaxSize 10
typedef struct{
int data[MaxSize];
int length;
}SqList;
void InitList(SqList &L){
for(int i=0;i<MaxSize;i++){
L.data[i]=0;
}
L.length=0;
}
int main() {
SqList L;
InitList(L);
for(int i=0;i<MaxSize;i++){
printf("data[%d]=%d\n",i,L.data[i]);
}
return 0;
}
2.3.2.2 动态分配
在动态分配时,存储数组的空间时在程序执行过程中通过动态存储分配语句分配的,一旦数据空间沾满,就另外开辟一块更大的存储空间,用以替换原来的存储空间,从而达到扩充存储数组空间的目的,而不需要为线性表一次性地划分所有空间。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#define Initsize 10 //默认的最大长度
typedef struct{
int *data ; //指示动态分配数组的指针
int MaxSize; //顺序表的最大容量
int length; //顺序表的当前长度
}SeqList;
void InitList(SeqList &L){
//用malloc函数申请一片连续的存储空间
L.data=(int *)malloc(Initsize*sizeof(int));
L.length=0;
L.MaxSize=Initsize;
}
//增加动态数组的长度
void Increasesize( SeqList &L, int len){
int *p=L.data;
L.data=(int *) malloc((L.MaxSize+len)*sizeof(int));
for(int i=0; i<L.length; i++){
L.data[i]=p[i]; //将数据复制到新区域
}
L.MaxSize=L.MaxSize+len; //顺序表最大长度增加len
free(p); //释放原来的内存空间
}
int main() {
SeqList L; //声明一个顺序表
InitList(L); //初始化顺序表
Increasesize(L, 5);
return 0;
}
其中C的初始动态分配语句为
L.data = (ElemType *)malloc(sizeof(ElemType)*InitSize)
C++的初始动态分配语句为
L.data = new ElemType[InitSize]
2.3.2.3 顺序表的特点:
①随机访问,即可以在O(1)时间内找到第i个元素。
②存储密度高,每个节点只存储数据元素
③拓展容量不方便(即便采用动态分配的方式实现,拓展长度的时间复杂度也比较高)
④插入、删除操作不方便,需要移动大量元素
2.3.3 顺序表上的基本操作的实现
2.3.3.1 插入操作
在顺序表的第个位置插入新元素。若的输入不合法,则返回false,表示插入失败;否则,将第个元素及其后的所有元素依次往后移动一个位置,腾出一个空位置插入新元素,顺序表的长度增加1,插入成功,返回True
bool ListInsert(SqList &L,int i, int e){
if (i<1||i>L.length+1) //判断i的范围是否有效
return false;
if (L.length>=MaxSize) //当前存储空间已满,不能插入
return false;
for (int j=L.length;j>=i;j--) //将第i个元素及之后的元素后移
L.data[j]=L.data[j-1];
L.data[i-1]=e; //在位置i处放入e
L.length++; //长度+1
return true;
}
插入操作的时间复杂度
- 最好情况:在表尾插入(即),元素后移语句将不执行,时间复杂度为
- 最坏情况:在表头插入(即),元素后移语句将执行n次,时间复杂度为
- 平均情况:假设新元素插入到任何一个位置的概率相同,即的概率都是,平均循环次数为
因此,线性表插入算法的平均时间复杂度为
2.3.3.2 删除操作
删除顺序表的第个位置的元素,用引用变量返回。若的输入不合法,则返回false;否则,将被删除元素赋值给引用变量,并将第个元素及其后的所有元素依次往前移动一个位置,顺序表的长度减少,返回True
bool ListDelete(SqList &L,int i, int &e){
if (i<1||i>L.length) //判断i的范围是否有效
return false;
e=L.data[i-1]; //将被删除的元素赋值给e
for(int j=i;j<L.length;j++) //将第i个位置后的元素前移
L.data[j-1]=L.data[j];
L.length--; //线性表的长度-1
return true;
}
删除操作的时间复杂度
- 最好情况:删除表尾元素(即),无需移动元素,时间复杂度为
- 最坏情况:删除表头元素(即),需移动除表头元素外的所有元素,时间复杂度为
- 平均情况:假设删除任何一个元素的概率相同,即的概率都是,平均循环次数为
因此,线性表插入算法的平均时间复杂度为
2.3.3.3 按位查找
GetElem(L,i):按位查找操作,获取表L中第i个位置的元素的值
ElemType GetElem(SeqList L,int i){
return L.data[i-1];
}
时间复杂度:
“随机存取”特性:由于顺序表的各个数据元素在内存中连续存放,因此可以根据起始地址和数据元素大小立即找到第i个元素
2.3.3.4 按值查找
LocateElem(L,e):按值查找操作。在表L中查找第一个具有给定关键字值的元素
int LocateElem(SeqList L,ElemType e){
int i;
for(i=0;i<L.length;i++){
if(L.data[i]==e)
return i+1;
return 0;
}
}
按值查找的时间复杂度
-
最好情况:查找的元素就在表头,循环一次,时间复杂度为
-
最坏情况:目标元素在表尾,循环n次,时间复杂度为
-
平均情况:假设目标元素出现在任何一个位置的概率相同,都是,平均循环次数
时间复杂度为
2.4 线性表的链式表示
2.4.1 单链表的定义
线性表的链式存储又称单链表,它是指通过一组任意的存储单元来存储线性表中的存储元素。为了建立数据元素之间的线性关系,对每个链表结点,除存放元素自身的信息外,还需要存放一个指向后继的指针。
单链表.png
其优点是不要求大片的连续空间,改变容量方便。缺点是不可随机存取,要耗费一定的空间存放指针
单链表结点类型描述如下:
struct LNode{
ElemType data; //每个结点存放一个数据元素
struct LNode *next; //指针指向下一个结点
// typedef struct LNode LNode;
// typedef struct LNode *LinkList;
}LNode, *LinkList;
创建新结点的代码如下:
// 增加一个新的结点:在内存中申请一个结点所需空间,并用指针p指向这个结点
struct LNode *p = (struct LNode *) malloc(sizeof(struct LNode));
2.4.2 单链表的实现
通常用头指针来标识一个单链表,如单链表L,头指针为NULL时表示一个空表,此外,为了操作上的方便,在单链表第一个结点之前附加一个结点,称为头节点。头节点的数据域可以不设任何信息,也可以记录表长等信息。头节点的指针域指向线性表的第一个元素的结点。
2.4.2.1 不带头节点的单链表
typedef struct LNode{
ElemType data; //每个结点存放一个数据元素
struct LNode *next; //指针指向下一个结点
}LNode, *LinkList;
// 初始化一个空的单链表
bool InitList(LinkList &L){
L=NULL;
return true;
}
// 判断单链表是否为空
bool Empty(LinkList L){
return(L==NULL);
}
void test(){
LinkList L; //声明一个指向单链表的指针
InitList(L);
}
2.4.2.2 带头结点的单链表
typedef struct LNode{
ElemType data; //每个结点存放一个数据元素
struct LNode *next; //指针指向下一个结点
}LNode, *LinkList;
// 判断单链表是否为空
bool Empty(LinkList L){
return(L->NEXT == NULL);
}
// 初始化一个空的单链表(带头结点)
bool InitList(LinkList &L){
L=(LNode *) malloc(sizeof(LNode)); //分配一个头结点
if (L==NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->next = NULL; //头结点之后暂时还没有结点
return true;
}
引入头结点后,可以带来两个优点:
- 由于第一个数据结点的位置被存放在头结点的指针域中,因此链表的第一个位置上的操作和在表的其他位置上的操作一致,无需进行特殊处理
- 无论链表是否为空,其头指针都指向头结点的非空指针(空表中头结点的指针域为空),因此空表和非空表的处理也就得到了统一
2.4.3 单链表上基本操作的实现
2.4.3.1 按位序插入
2.4.3.1.1 带头结点
ListInsert(&L,i,e):插入操作,在表L中的第i个位置插入指定元素e(找到第i-1个结点,将新结点插入其后)
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if (i<1)
return false;
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向头结点,头结点是第0个结点
while (p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
p = p->next;
j++;
}
if (p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *) malloc(sizeof(LNode));
s->data = e;
s->next = p->next;
p->next = s; //将结点s连到p之后
return true;
}
平均时间复杂度为
2.4.3.1.2 不带头结点
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if (i<1)
return false;
// 如果不带头结点,则插入、删除第一个元素时,需要更改头指针L
if (i==1){
LNode *s = (LNode *) malloc(sizeof(LNode));
s->data = e;
s->next = L;
L = s; //头指针指向新结点
return true;
}
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=1; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向第一个结点
while (p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
p = p->next;
j++;
}
if (p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *s = (LNode *) malloc(sizeof(LNode));
s->data = e;
s->next = p->next;
p->next = s; //将结点s连到p之后
return true;
}
2.4.3.2 指定结点的后插操作
InsertNextNode(&L,e):在p结点后插入元素e
bool InsertNext(LNode *p, ElemType e){
if (p==NULL)
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
/*
某些情况下有可能分配内存失败,如内存不足
if (s==NULL) //分配内存失败
return false;
*/
s->data = e; //用结点s保存数据元素e
s->next = p->next;
p->next = s; //将结点s连到p之后
return true;
}
时间复杂度为
返回前插元素的代码,原代码就可以改成
bool ListInsert(LinkList &L, int i, ElemType e){
if (i<1)
return false;
// 如果不带头结点,则插入、删除第一个元素时,需要更改头指针L
if (i==1){
LNode *s = (LNode *) malloc(sizeof(LNode));
s->data = e;
s->next = L;
L = s; //头指针指向新结点
return true;
}
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=1; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向第一个结点
while (p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
p = p->next;
j++;
}
return InsertNextNode(p, e);
}
2.4.3.3 指定结点的前插操作
InsertPriorNode(&L,*P,e):在p结点前插入元素e
方法1:传入头指针
bool InsertPriorNode(LinkList L, LNode *p, Elemtype e)
时间复杂度为
方法2:
bool InsertPriorNode(LNode *p, Elemtype e){
if (p==NULL)
return false;
LNode *s = (LNode *)malloc(sizeof(LNode));
if (s==NULL) //分配内存失败
return false;
s->next = p->next;
p->next = s; //新结点s连到p之后
s->data = p->data //将p中元素复制到s中
p->data = e; //p中元素覆盖为e
return true;
}
时间复杂度为
2.4.3.4 按位序删除(带头结点)
LisDelete(&L,i,&e):删除操作,删除L中第i个位置的元素,并用e返回删除元素的值
bool LisDelete(LinkList &L, int i, ElemType &e){
if (i<1)
return false;
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向头结点,头结点是第0个结点
while (p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
p = p->next;
j++;
}
if (p==NULL) //i值不合法
return false;
if (p->next == NULL) //第i-1个结点后已无其他结点
return false;
LNode *q = p->next; //命q指向被删除结点
e = q->data; //用e返回元素的值
p->next = q->next; //将*q结点从链中断开
free(q); //释放节点的存储空间
return true;
}
平均时间复杂度
2.4.3.5 指定结点的删除
bool DeleteNode(LNode *p){
if (p==NULL) //i值不合法
return false;
LNode *q = p->next; //命q指向被删除结点
p->data = p->next->data; //和后继结点交换数据域
p->next = q->next; //将*q结点从链中断开
free(q); //释放节点的存储空间
return true;
}
平均时间复杂度为
但是此方法存在局限性:
如果p是最后一个结点则找不到后继结点,会出bug,此时只能从表头依次寻找p的前驱,时间复杂度为
因此说明了单链表的局限性:
无法逆向检索,有时候不太方便
2.4.3.6 单链表的查找操作(带头结点)
2.4.3.6.1 按位查找
GetElem(L,i):按位查找操作。获取表L中第i个位置的元素的值
LNode * GetElem(LinkList L, int i){
if (i<1)
return NULL;
LNode *p; //指针p指向当前扫描到的结点
int j=0; //当前p指向的是第几个结点
p = L; //L指向头结点,头结点是第0个结点
while (p!=NULL && j<i-1){ //循环找到第i-1个结点
p = p->next;
j++;
}
return p;
}
平均时间复杂度:
2.4.3.6.2 按值查找
LocateElem(L,e):按值查找操作,在表L中查找第一个具有给定关键字值的元素
// 按值查找,找到数据域==e的结点
LNode * LocateElem(LinkList L, ElemType e){
LNode *p = L->next;
//从第一个结点开始查找数据位e的结点
while(p != NULL && p->data !=e)
p = p->next;
return p; //找到后返回该结点指针,否则返回NULL
}
平均时间复杂度:
2.4.3.7 求表的长度
int Length(LinkList L){
int len = 0; //统计表长
LNode *p = L;
while(p->next != NULL){
p = p->next;
len++;
}
return len;
}
时间复杂度:
2.4.3.8 单链表的建立
- 初始化一个单链表
- 每次取一个数据元素,插入到表尾/表头
2.4.3.8.1 尾插法
LinkList List_TailInsert(LinkList &L){ //正向建立单链表
int x; //设置元素类型为整型
L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode)); //初始化表
LNode *s, *r=L; //r为表尾指针
scanf("%d",&x); //输入结点的值
while(x!=9999){ //输入9999表示结束
s=(LNode *)malloc(sizeof(LNode));
s->data=x;
r->next=s;
r=s; //r指向新的表尾结点
scanf("%d",&x);
}
r->next = NULL; //表尾点指针置空
return L;
}
时间复杂度为
2.4.3.8.2 头插法
LinkList List_HeadInsert(LinkList &L){ //正向建立单链表
LNode *s; int x;
L=(LinkList)malloc(sizeof(LNode)); //创建头结点
L->next = NULL; //初始为空链表
while(x!=9999){ //输入9999表示结束
s=(LNode *)malloc(sizeof(LNode));
s->data=x;
s->next=L->next;
L->next=s; //将新节点插入表中,L为头指针
scanf("%d",&x);
}
return L;
}
时间复杂度为
2.4.4 双链表
为了克服单链表只有一个指向其后继的指针,引入了双链表,双链表结点中又两个指针prior和next,分别指向其前驱结点和后驱结点。其结点类型描述如下
typedef struct DNode{
ElemType data; //数据域
struct DNode *prior, *next; //前驱和后继指针
}DNode, *DLinklist;
其初始化如下(带头结点):
bool InitDLinkList(DLinklist &L){
L = (DNode *) malloc(sizeof(DNode)); //分配一个头结点
if (L == NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->prior = NULL; //头结点的prior永远指向NULL
L->next = NULL; //头结点之后暂时还没有结点
return true;
}
2.4.4.1 双链表的插入
//在p结点后插入s结点
bool InsertNextDNode(DNode *p, DNode *s){
if (p==NULL||s==NULL) //非法参数
return false;
s->next = p->next; //将结点*s插入到点*p之后
if (p->next != NULL) //如果p结点后又后继结点
p->next->prior = s;
s->prior = p;
p->next =s;
}
2.4.4.2 双链表的删除
//删除p结点的后继结点
bool DeleteNextDNode(DNode *p){
if (p==NULL) return false;
DNode *q = p->next; //找到p的后继结点q
if (q==NULL) return false; //p没有后继
p->next = q->next;
if (q->next!=NULL) //q结点不是说最后一个结点
q->next->prior = p;
free(q); //释放结点空间
return true;
}
双链表不可随机存取,按位查找、按值查找操作都只能用遍历的方式实现,时间复杂度为
2.4.5 循环链表
2.4.5.1 循环单链表
循环单链表.png//初始化一个循环单链表
bool InitList(LinkList &L){
L = (LNode *) malloc(sizeof(LNode)); //分配一个头结点
if (L==NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->next = L; //头结点next指向头结点
// 普通的单链表结尾指向NULL
return true;
}
循环单链表可以从表中的任意一个结点开始遍历整个列表
2.4.5.2 循环双链表
循环双链表表头结点的prior指向表尾结点;表尾结点的next指向头结点
bool InitDLinkList(DLinklist &L){
L = (DNode *) malloc(sizeof(DNode)); //分配一个头结点
if (L == NULL) //内存不足,分配失败
return false;
L->prior = L; //头结点的prior指向头结点
L->next = L; //头结点的next指向结点
return true;
}
2.4.6 静态链表
静态链表需要预先分配一整片的连续内存空间,其借助数组来描述线性表的链式存储结构,结点也有数据域data和指针域next,这个指针是结点的相对地址(数组下标),又称游标。静态链表的结构类型描述如下:
#define MaxSize 10 //静态链表的最大长度
struct Node{ //静态链表的结构类型定义
ElemType data; //存储数据元素
int next; //下一个元素的数组下标
}
void testSLinkList(){
struct Node a[MaxSize]; //数组a作为静态链表
}
游标为-1表示已经到达表尾
优点:增、删操作不需要大量移动元素
缺点:不能随机存取,只能从头结点开始依次往后查找;容量固定不可变
2.5 顺序表和链表的比较
-
逻辑结构:都属于线性表,都是线性结构
-
存储结构:
- 顺序表是顺序存储,支持随机存取、存储密度高 ;缺点是大片连续空间分配不方便,改变容量不方便
- 链表是链式存储,离散的小空间分配方便,改变容量方便;缺点是不可随机存取,存储密度低
-
基本操作:
-
创建数据表
- 顺序表需要预分配大片连续空间,若分配空间过小,则之后不方便扩展容量;若分配空间过大,浪费内存资源
- 链表只需分配一个头结点(也可不要头结点,只声明一个指针),之后方便扩展
-
销毁操作
- 顺序表①修改Length=0②若用静态分配,系统自动回收空间;若用动态分配,则需要手动free
- 链表:依次删除各个结点
-
增加和删除
- 顺序表插入/删除元素要将后续元素都后移/前移,时间复杂度为O(n),时间开销来自移动元素
- 链表插入/删除元素只需要修改指针即可,时间复杂度为O(n),时间开销来自查找目标元素
-
查找操作
- 顺序表:按位查找:O(1);按值查找:O(n)若表内元素有序,则
- 链表:O(n)
-
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