數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳解：從數(shù)組到樹，再到哈希表
本文深入探討幾種常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括數(shù)組、鍊錶、二叉搜索樹（BST）和哈希表，並闡述其在內(nèi)存中的組織方式及優(yōu)缺點。
信息結(jié)構(gòu)與抽像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
信息結(jié)構(gòu)指的是內(nèi)存中組織信息的方式，而抽像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則是我們概念上對這些結(jié)構(gòu)的理解。 理解抽像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有助於我們更好地在實踐中實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
堆棧和隊列
隊列是一種遵循FIFO（先進先出）原則的抽像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似於排隊等候。其主要操作包括入隊（添加元素到隊列尾部）和出隊（移除隊列頭部元素）。
堆棧則遵循LIFO（後進先出）原則，如同疊盤子。其操作包括壓入（添加元素到堆棧頂部）和彈出（移除堆棧頂部元素）。
數(shù)組
數(shù)組是一種在內(nèi)存中連續(xù)存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。 如下圖所示，數(shù)組在內(nèi)存中佔據(jù)連續(xù)的存儲空間。
內(nèi)存中可能存在其他程序、函數(shù)和變量，以及之前使用過的冗餘數(shù)據(jù)。 如果需要向數(shù)組添加新元素，則需要重新分配內(nèi)存並複制整個數(shù)組，這會造成效率低下。
預(yù)先分配過多的內(nèi)存雖然可以減少複製操作，但卻會浪費系統(tǒng)資源。因此，根據(jù)實際需求分配內(nèi)存至關(guān)重要。
鍊錶
鍊錶是一種強大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它允許將位於不同內(nèi)存區(qū)域的值連接成一個列表，並支持動態(tài)擴展或縮小。
每個節(jié)點包含兩個值：數(shù)據(jù)值和指向下一個節(jié)點的指針。最後一個節(jié)點的指針值為NULL，表示鍊錶的結(jié)尾。
C語言中，節(jié)點可以定義如下：
<code class="c">typedef struct CS-第 5 週 { int number; struct CS-第 5 週 *next; } CS-第 5 週;</code>
以下示例展示了鍊錶的創(chuàng)建過程：
鍊錶的缺點包括：需要額外內(nèi)存存儲指針，以及無法通過索引直接訪問元素。
二叉搜索樹(BST)
二叉搜索樹是一種高效存儲、搜索和檢索數(shù)據(jù)的樹形結(jié)構(gòu)。
BST 的優(yōu)點在於動態(tài)性和搜索效率（O(log n)），缺點在於樹不平衡時搜索效率會下降到O(n)，並且需要額外的內(nèi)存存儲指針。
哈希表
哈希表類似於字典，包含鍵值對。 它利用哈希函數(shù)將鍵映射到數(shù)組索引，從而實現(xiàn)O(1) 的平均查找時間。
哈希衝突（多個鍵映射到同一個索引）可以通過鍊錶或其他方法解決。 哈希函數(shù)的設(shè)計對哈希表的性能至關(guān)重要。 一個簡單的哈希函數(shù)示例如下：
<code class="c">#include <ctype.h> unsigned int hash(const char *word) { return toupper(word[0]) - 'A'; }</ctype.h></code>
本文基於cs50x 2024源碼整理。
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