数据结构简介

发布时间：2023-05-10

数据结构概述

数据结构是指数据对象在计算机中的组织方式。数据结构作为一门研究计算机中数据存储、管理和操作的学科，是信息与计算机科学之间的一座桥梁。数据结构主要包括两个方面的内容：数据存储的物理结构和数据的逻辑结构。其中，数据的物理结构指的是计算机中，数据对象的实际存储形式，包括数组和链表等。而数据的逻辑结构是指各个数据元素之间的关系，包括线性结构、树形结构和图形结构等。 数据结构是计算机科学的一个重要分支，它是程序设计的基础，不同的数据结构适用于不同的算法和应用，可以大大提高程序的执行效率和运行速度。

常用的数据结构

1. 数组

# 数组的定义和初始化
arr = [1, 2, 3, 4, 5, 6]

数组是一种线性结构，它由一组连续的内存空间组成，用来存储一组具有相同类型的数据。在计算机中，数组下标从零开始，并且在数组中可以通过下标来访问数组各元素。 数组具有固定长度的特性，所以它的元素类型和数量在定义时必须确定。数组的优点是可以快速访问数组中的任意元素，而缺点是在数组中插入和删除操作比较耗时。

2. 链表

# 定义链表节点
class ListNode:
    def __init__(self, x):
        self.val = x
        self.next = None
# 定义链表
class LinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None

链表是一种由若干个节点组成的数据结构，每个节点包含一个数据元素和一个指向下一个节点的指针。链表中的节点是分散存储的，可以动态地插入和删除节点。 链表的优点是在插入和删除操作时效率比较高，而缺点是访问任意元素时效率较低。

3. 栈

# 定义栈
class Stack:
    def __init__(self):
        self.items = []
    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0
    def push(self, item):
        self.items.append(item)
    def pop(self):
        return self.items.pop()
    def peek(self):
        return self.items[-1]

栈是一种后进先出的数据结构，它只允许在栈顶进行插入和删除操作。栈顶是最后一个被插入的元素，在栈顶进行删除操作就可以把栈中元素按照插入的逆序依次输出。

4. 队列

# 定义队列
class Queue:
    def __init__(self):
        self.items = []
    def is_empty(self):
        return len(self.items) == 0
    def enqueue(self, item):
        self.items.insert(0,item)
    def dequeue(self):
        return self.items.pop()
    def size(self):
        return len(self.items)

队列是一种先进先出的数据结构，它只允许在队尾进行插入操作，在队头进行删除操作。队列的应用比较广泛，如进程调度、消息传递等。

5. 树

# 定义树节点
class TreeNode:
    def __init__(self, x):
        self.val = x
        self.left = None
        self.right = None
# 定义树
class Tree:
    def __init__(self):
        self.root = None

树是一种非线性结构，它由若干个节点组成，每个节点包含一个数据元素和若干指向子节点的指针。树的节点可以看作一个含有m个子节点的树结构，树的根节点只含有一个子节点，其他节点可能含有任意个子节点。 树的优点是在查找某个节点时效率很高，而缺点是在插入和删除操作时比较耗时。

数据结构的应用

数据结构在计算机科学中有着非常重要的应用，不同的数据结构可以适用于不同的场景，如下所示：

1. 数组

在实现向量、矩阵等精密数学计算的时候，数组有着非常重要的应用。

2. 链表

链表在实现LRU（Least Recently Used）缓存淘汰算法、快速排序等应用场景中有着广泛的应用。

3. 栈

栈在括号匹配、迷宫走迹、表达式求值、中缀表达式转换为后缀表达式等应用场景中有着广泛的应用。

4. 队列

队列在操作系统中进程管理以及消息传递等应用场景中有着广泛的应用。

5. 树

树在算法领域中排序、查找等应用场景中有着广泛的应用。

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