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  • 数据结构:八大数据结构分类

    万次阅读 多人点赞 2018-09-05 18:23:28
    一种数据结构都有着独特的数据存储方式,下面为大家介绍它们的结构和优缺点。 1、数组 数组是可以再内存中连续存储多个元素的结构,在内存中的分配也是连续的,数组中的元素通过数组下标进行访问,数组下标从0...

    本文目录:

    数据结构分类

    数据结构是指相互之间存在着一种或多种关系的数据元素的集合和该集合中数据元素之间的关系组成 。
    常用的数据结构有:数组,栈,链表,队列,树,图,堆,散列表等,如图所示:
    这里写图片描述
    每一种数据结构都有着独特的数据存储方式,下面为大家介绍它们的结构和优缺点。

    1、数组

    数组是可以再内存中连续存储多个元素的结构,在内存中的分配也是连续的,数组中的元素通过数组下标进行访问,数组下标从0开始。例如下面这段代码就是将数组的第一个元素赋值为 1。

    int[] data = new int[100];data[0]  = 1;
    

    优点:
    1、按照索引查询元素速度快
    2、按照索引遍历数组方便

    缺点:
    1、数组的大小固定后就无法扩容了
    2、数组只能存储一种类型的数据
    3、添加,删除的操作慢,因为要移动其他的元素。

    适用场景:
    频繁查询,对存储空间要求不大,很少增加和删除的情况。

    2、栈

    栈是一种特殊的线性表,仅能在线性表的一端操作,栈顶允许操作,栈底不允许操作。 栈的特点是:先进后出,或者说是后进先出,从栈顶放入元素的操作叫入栈,取出元素叫出栈。
    这里写图片描述
    栈的结构就像一个集装箱,越先放进去的东西越晚才能拿出来,所以,栈常应用于实现递归功能方面的场景,例如斐波那契数列。

    3、队列

    队列与栈一样,也是一种线性表,不同的是,队列可以在一端添加元素,在另一端取出元素,也就是:先进先出。从一端放入元素的操作称为入队,取出元素为出队,示例图如下:
    这里写图片描述
    使用场景:因为队列先进先出的特点,在多线程阻塞队列管理中非常适用。

    4、链表

    链表是物理存储单元上非连续的、非顺序的存储结构,数据元素的逻辑顺序是通过链表的指针地址实现,每个元素包含两个结点,一个是存储元素的数据域 (内存空间),另一个是指向下一个结点地址的指针域。根据指针的指向,链表能形成不同的结构,例如单链表,双向链表,循环链表等。
    这里写图片描述
    链表的优点:
    链表是很常用的一种数据结构,不需要初始化容量,可以任意加减元素;
    添加或者删除元素时只需要改变前后两个元素结点的指针域指向地址即可,所以添加,删除很快;

    缺点:
    因为含有大量的指针域,占用空间较大;
    查找元素需要遍历链表来查找,非常耗时。

    适用场景:
    数据量较小,需要频繁增加,删除操作的场景

    5、树

    是一种数据结构,它是由n(n>=1)个有限节点组成一个具有层次关系的集合。把它叫做 “树” 是因为它看起来像一棵倒挂的树,也就是说它是根朝上,而叶朝下的。它具有以下的特点:

    • 每个节点有零个或多个子节点;
    • 没有父节点的节点称为根节点;
    • 每一个非根节点有且只有一个父节点;
    • 除了根节点外,每个子节点可以分为多个不相交的子树;

    在日常的应用中,我们讨论和用的更多的是树的其中一种结构,就是二叉树
    这里写图片描述
    二叉树是树的特殊一种,具有如下特点:

    1、每个结点最多有两颗子树,结点的度最大为2。
    2、左子树和右子树是有顺序的,次序不能颠倒。
    3、即使某结点只有一个子树,也要区分左右子树。

    二叉树是一种比较有用的折中方案,它添加,删除元素都很快,并且在查找方面也有很多的算法优化,所以,二叉树既有链表的好处,也有数组的好处,是两者的优化方案,在处理大批量的动态数据方面非常有用。

    扩展:
    二叉树有很多扩展的数据结构,包括平衡二叉树、红黑树、B+树等,这些数据结构二叉树的基础上衍生了很多的功能,在实际应用中广泛用到,例如mysql的数据库索引结构用的就是B+树,还有HashMap的底层源码中用到了红黑树。这些二叉树的功能强大,但算法上比较复杂,想学习的话还是需要花时间去深入的。

    6、散列表

    散列表,也叫哈希表,是根据关键码和值 (key和value) 直接进行访问的数据结构,通过key和value来映射到集合中的一个位置,这样就可以很快找到集合中的对应元素。

    记录的存储位置=f(key)

    这里的对应关系 f 成为散列函数,又称为哈希 (hash函数),而散列表就是把Key通过一个固定的算法函数既所谓的哈希函数转换成一个整型数字,然后就将该数字对数组长度进行取余,取余结果就当作数组的下标,将value存储在以该数字为下标的数组空间里,这种存储空间可以充分利用数组的查找优势来查找元素,所以查找的速度很快。

    哈希表在应用中也是比较常见的,就如Java中有些集合类就是借鉴了哈希原理构造的,例如HashMap,HashTable等,利用hash表的优势,对于集合的查找元素时非常方便的,然而,因为哈希表是基于数组衍生的数据结构,在添加删除元素方面是比较慢的,所以很多时候需要用到一种数组链表来做,也就是拉链法。拉链法是数组结合链表的一种结构,较早前的hashMap底层的存储就是采用这种结构,直到jdk1.8之后才换成了数组加红黑树的结构,其示例图如下:
    这里写图片描述
    从图中可以看出,左边很明显是个数组,数组的每个成员包括一个指针,指向一个链表的头,当然这个链表可能为空,也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去,也是根据这些特征,找到正确的链表,再从链表中找出这个元素。

    哈希表的应用场景很多,当然也有很多问题要考虑,比如哈希冲突的问题,如果处理的不好会浪费大量的时间,导致应用崩溃。

    7、堆

    堆是一种比较特殊的数据结构,可以被看做一棵树的数组对象,具有以下的性质:

    • 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值;

    • 堆总是一棵完全二叉树。

    将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆,根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

    堆的定义如下:n个元素的序列{k1,k2,ki,…,kn}当且仅当满足下关系时,称之为堆。
    (ki <= k2i,ki <= k2i+1)或者(ki >= k2i,ki >= k2i+1), (i = 1,2,3,4…n/2),满足前者的表达式的成为小顶堆,满足后者表达式的为大顶堆,这两者的结构图可以用完全二叉树排列出来,示例图如下:
    这里写图片描述
    因为堆有序的特点,一般用来做数组中的排序,称为堆排序。

    8、图

    图是由结点的有穷集合V和边的集合E组成。其中,为了与树形结构加以区别,在图结构中常常将结点称为顶点,边是顶点的有序偶对,若两个顶点之间存在一条边,就表示这两个顶点具有相邻关系。

    按照顶点指向的方向可分为无向图和有向图:
    这里写图片描述
    这里写图片描述
    图是一种比较复杂的数据结构,在存储数据上有着比较复杂和高效的算法,分别有邻接矩阵 、邻接表、十字链表、邻接多重表、边集数组等存储结构,这里不做展开,读者有兴趣可以自己学习深入。

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  • 数据结构种关系

    千次阅读 2018-12-25 15:44:42
    数据结构 分为四种关系 1 集合机构 2线性结构 特点: 除第个和最后个元素外,都是一关系; 3树形结构 特点: 对多关系; 4图形结构 特点: 多对多关系; 算法依赖于逻辑结构,实现取决于物理...

    数据结构

    分为四种关系

    1 集合机构

    2线性结构
    特点:
    除第一个和最后一个元素外,都是一对一关系;

    3树形结构
    特点:
    一对多关系;

    4图形结构
    特点:
    多对多关系;

    算法依赖于逻辑结构,实现取决于物理结构;

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  • 家谱的数据结构并不复杂,逻辑上可以抽象成一图,节点为人物,边为人物关系关系粗略分为两类,类是跨层级的亲子关系(如父子,父女,母子,母女),另类为同层级的夫妻关系(其实如果要加上更多的...

    github源代码(家谱海本地私有版):https://github.com/fengchangfight/familytreesea

    出处:http://www.fengchang.cc/post/24

    家谱的数据结构并不复杂,逻辑上可以抽象成一种图,节点为人物,边为人物关系,关系粗略分为两类,一类是跨层级的亲子关系(如父子,父女,母子,母女),另一类为同层级的夫妻关系(其实如果要加上更多的也可以)。有了这两类关系,就可以完全地描述一个家谱人物关系。那么在数据库中表示只需要两张表就够了,一个person表,一个relation表

    person表的形式可以为(id, name, sex ...), relation表的形式可以为(id, from_person_id, to_person_id, relation_name)

    这种存储方式可以很方便地查询到一个完整地家谱,当然也有关系型数据库固有的缺点,就是不好做单人的连续的层级遍历,例如找一个人祖上十八代,那一定是对应大量的table join, 不过我这里不考虑这个问题,只专注于如何表征一个完整的家谱,并能自动排版在前端展示,最终要达到的一个效果如图

     

    这张图在数据库层面就是按照如上描述存储的,然而前端要绘制成这样的树形结构则需要花一点点小功夫。

    我这里使用d3的force directed graph进行绘制。d3的example图是这样的:

    看起来是不是乱得一塌糊涂?如果你只按照上面的表关系建立好数据,然后直接用d3画图,结果也必然是这个样子。那如何把它变成看起来比较干净整洁的类似树形图呢?d3是没办法按照我们的要求自动排版的,原因很简单,我们的要求有三个,第一要分层级(父母在上子女在下),第二,线条交叉要尽量少,不要太杂乱无章,第三,树看起来比较平衡(例如不要很右边的父节点连到图最左边的子节点,难看的很),很显然,这种要求属于高度定制的要求,d3是不可能自动给你排的,那怎么做呢?我的思路是通过某种算法,确定图中每一个人物的坐标(x,y),使得满足上面的3个要求,则自然结果图能够整洁。是不是废话?待我细细说来。。。

    第一步,计算层级。

    思路如下,先定一个记录标准:最上层为1层,其子所在层为2,再往下一层为3,以此类推。那么在给定一个图之后,只要这个图是连通图,那么从一个节点沿着关系一定能走到任意其他节点,基于这个前提,我用一种想象中的染色法,想象图中所有节点一开始都是白色,然后选定任意一个节点开始,随意标记一个层级,例如10,染成红色,然后从该红色节点出发,沿着其所有关系递归遍历其他节点,遍历时,如果是向上走,则走到的节点层级减1,向下走,则走到的节点层级加1,同层走,则走到的节点层级相同,直到所有节点都变成红色。这样递归完成后,所有的层级都定下来了,但是由于初始节点的层级是随便取的,最终得到的结果可能是10,11,12,13。。这样的层次,只要再做个“归一”,即把最小的层级变成1(例如如果层级列表为(10,11,12),那么只要统一减去9,即可"归一"为(1,2,3))。

    第二部:减少线条交织,自动调整层高

    第一步做完以后,所有的节点都被分到了对应的层级,但仅仅这样画出来的图一定还是不好看,例如一对夫妻在同层级,但是如果一个放在图最左,一个放在图最右,中间还放了很多其他兄弟节点,那么这就很难看,亦或是A放在B的左边,然后A的后代却放在B的后代的右边,那么可想而知这里又会有很多不必要的线条交织,影响美观,所以要做到几件事,包括:1、把夫妻要并在一起放置,如果A和B是夫妻,C和D是夫妻,那么应该是ABCD这样的排布ok,但如果是ACDB这样就不行。2、如果甲和乙是亲兄弟,甲在乙的左边,那么甲的后代必须也在乙的后代的左边,递归传下去。3,每层的层间距也不应固定,例如古代皇帝,有些有一百多个儿子,有些就一两个儿子,那么稍微想象,也能知道,画前者的层间距应该大于后者的层间距才好看,否则儿女多的人发散出去的线条会画得非常扁平。

     

    第三步,树的平衡

    这一步是基于前两步来做的,最终能够确定每个节点的列位置,如果说第一步确定了层位置,第二步粗粒度确定了列位置(排好了层级内每个节点的位序),那么这一步则是细粒度最终确定了列位置。根据实测,最终定了3个原则来唯一确定一个节点的列位置,第一,位序靠后的节点列坐标一定要大于位序靠前的列坐标,例如某层内根据第二步确定好的位序为(A,B,C,D,E)则,B的列坐标一定大于A的列坐标,C的一定大于B的,以此类推。第二,一个节点的后代叶子节点数越多,它占领的该层的列空间就要越大,同时与下层的距离也要越大,每层和下一层的最终距离为该层所有节点的这种距离中的最大者。第三,一个节点的位置还受到其父节点的影响,父节点若有n个后代叶子节点,则本节点的列坐标不应该小于父节点的列坐标-n/2。根据这三个原则,就能确定唯一的节点位置。

    算法的效果大家已经在上图看到了,已知一个尚未解决的问题是: 本算法能较好地处理直系关系比较连续完整的图,但是不能很好处理不太连续的图,举个例子:看下图中最左边李守忠,这个人是半路插进来的"外戚",是通过其子女嵌入主体关系的,其本身的父母未在图中出现(出现了也跟主体人物脉络是几乎不相关的),换句话说李守忠的排位是受其下层决定的,而本算法在决定排序时都是从上层到下层的,所以这种情况看起来就可能排位不太好.

    具体的算法代码用到了大量的记账式递归(recursion+memoization),例如计算层级,计算某节点的后代叶子节点数,拆开来看都不算复杂,拼在一起会有点绕

    所得结果的演示,已有网站成品:http://www.familytreesea.com/ 

    汉朝皇帝谱:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/11

    唐朝皇帝:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/10

    宋朝:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/13

    元朝:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/9

    明朝:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/7

    清朝:http://www.familytreesea.com/public-tree-detail/8

    欢迎大家体验和使用

    另外,本站目前只有我一个开发者,如果有兴趣一起开发改进可以私信我,尤其是有至于做手机端改造的童鞋,本网站目前完全没有移动端的体验。。。

     

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