基本的数据结构.docx

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基本的数据结构

基本的数据结构

1.2基本的数据结构

（8课时机上8课时）

第一课时

教学目标

数据结构的概念，基本的数据结构及其优缺点，和数据结构相关的几个定义（数据库，字段，关键字）。

1.2.1.1什么是数据结构

数据结构是对在计算机内存中（有时在磁盘中）的数据的一种安排。

数据结构包括数组，表，栈，二叉树，哈希表等。

数据结构可以解决哪些方面的问题呢？

粗略的估计一下，可以用于以下三类情况：

·现实世界数据存储

·程序员的工具

·建模

现实世界数据存储——现实世界数据值得是哪些描述处于计算机外部的物理实体的数据。

看几个例子：

一条人事档案记录描述了一位真实人的记录，一条存货记录描述了一个真实存在的汽车部件或杂货店里的一种商品，一条财务交易记录描述了一笔支付电费实际填写的支票。

举一个非计算机的现实世界数据存储的例子，有一叠3x5的索引卡片，这些卡片可以被用在不同的场合。

如果每张卡片上写有某人的姓名，地址和电话号码，那么折叠卡片一定是一本地址簿。

如果每一张卡片上写有家庭拥有物的名称，位置和价值，那么这一定是一本家庭财产清单。

当然索引卡片并不能代表现在的科技发展水平。

几乎索引以前用索引卡片处理的事务现在都可以用计算机来处理。

如果想将旧式的所以卡片系统更新为计算机程序，边有可能会发现会被如下问题所困扰：

·如何在计算机内存中安放数据？

·所用方法适用于100张卡片吗？

那1000张呢？

10000000张呢？

·所用方法能够快速的插入新卡片和删除老卡片吗？

·它能快速的查找一张特定的卡片吗？

·若想将卡片按照字母顺序排列，又应该如何去排呢？

然而，大多数程序比所以卡片要复杂得多。

想象一下机动车管理部门的数据库，这个库被用来记录驾驶员的执照的情况；或者看一个航班预定系统，这个系统存储了旅客和航班的各种信息。

这些系统由许多数据结构组成。

程序员的工具——并不是所有的数据结构都用来存储现实世界的数据。

通常情况下，现实世界的数据或多或少会由程序的用户直接存取。

但是有些数据存储结构并不打算让用户接触，它们仅被程序本身所使用。

程序员经常将诸如栈，队列和优先级队列等结构当作结构来简化另一些操作，这些数据结构就是程序员的工具了。

现实世界的建模——有些数据结构能直接对现实世界的情况构造建模。

其中最重要的数据结构是图。

图可以用来表示城市之间的航线。

电路中的连接线和连接点，或者是某一工程中的任务安排关系。

其它诸如栈和队列等数据结构也会应用在时间的建模中。

例如，一个队列可以模拟顾客在银行中排队等待的模型，还可以模拟汽车在收费站前面等待缴费的模型等等。

1.2.1.2基本的数据结构及其优缺点

知道了数据结构的概念及基本用途，那么到底有哪些数据结构，以及它们各自的优点和缺点有哪些呢接下来我们用下面的表格来对基本的数据结构以及其优缺点进行详细说明：

数据结构

优点

缺点

数组

插入块，如果知道下标，可以非常快的存取

查找慢，删除慢，大小固定

有序数组

比无序的数组查找快

删除和插入慢，大小固定

栈

提供后进先出方式的存取

存取其它项很慢

队列

提供先进先出方式的存取

存取其它项很慢

链表

插入快，删除快

查找慢

二叉树

查找，插入，删除都快（如果数保持平衡）

删除的算法比较复杂

红-黑树

查找，插入，删除都快，树总是平衡的

算法复杂

2-3-4树

查找，插入，删除都快。

书总是平衡的，类似的树对磁盘存储有用

算法复杂

哈希表

如果关键字已知则存取极快，插入快

删除慢，如果不知道关键字很慢，对存储空间使用不充分

堆

插入，删除快，对最大数据项的存储很快

对其它数据项存取慢

图

对现实世界建模

有些算法慢且复杂

知道了这些基本的数据结构及其优缺点，那么我们再平平时的编程中选择正确的数据结构将会大大提高程序的运行效率。

1.2.1.3关于数据结构的一些概念

数据库（database）——我们将会使用数据库这个术语来表示在某一特定情况下所有要查阅的数据，数据库中的每一条数据都被认为是同样格式的，这种存储数据的统一格式就是我们前面所说的数据结构。

例如：

如果使用索引卡片来做一本地址簿，其中所有的卡片便构成了一个数据库，没一张卡片就是一条数据，而卡片本身就是数据结构。

记录（record）——记录是指数据库中划分成的单元。

它们为存储信息提供了一个结构格式。

在索引卡片的模拟系统中，每一张卡片就代表一条记录。

当有许多类似的实体时，一条记录包含了某一个实体的所有信息。

一条记录可能应对与人事档案中的某一个人，汽车供应存货目录中的某一个零部件，或是烹调书中的某一道菜谱。

字段（field）——一条记录经常被划分为几个字段。

一个字段保存某一种特定的数据。

在地址簿中的一张索引卡片上，一个人的名字，地址或电话号码都是一个独立的字段。

更复杂的数据库程序使用带有更多字段的记录。

如下图显示了一条记录，其中每一行代表了一个不同的字段。

雇员号码：

社会保险号码：

姓：

名：

地址：

城市：

省：

邮编：

电话：

生日：

开始工作时间：

工资：

在java语言（和其它面向对象语言）中，记录经常被表示为一个相应类的对象。

一个实例中各个变量表示不同的数据字段（datafield）。

关键字——在数据库中查找一条记录，需要指定记录的某一个字段位关键字（或查找关键字）。

通过这个特定的关键字来进行查找。

例如，在一个地址簿的程序中，可以再每条记录的姓名字段中查找关键字“Brown”。

当找到具有该关键字的记录时，便可以访问它的所有字段，而不仅仅是关键字了，可以说是关键字释放了整个记录。

还可以通过电话号码字段或地址字段在整个文件中再次查找。

上图中任何字段都可以被用作查找关键字。

第二课时

教学目标

一维数组的概念，一维数组的创建，一维数组的初始化，一维数组数据项的访问。

1.2.2.1引言

数组（array）是相同类型变量的集合，可以使用共同的名字引用它。

它是应用最广泛的数据结构，被植入到大部分变成语言中。

由于数组十分易懂，所以它被用来作为介绍数据结构的起步点，并展示面向对象变成和数据结构之间的关系。

数组可以被定义为任何类型，可以是一维的也可以是多维的。

数组中的一个特别要素是通过下标来访问他。

数组提供了一种将有联系的信息分组的便利方法。

下面我们来详细介绍一维数组。

1.2.2.2一维数组的创建

一维数组（one-dimensionalarray）实质上市相同类型变量列表。

正如第一章所提到的，java中有两种数据类型：

基本类型（如int，double等）和引用类型在许多编程语言中（甚至有些面向对象语言，如C++），数组也是基本类型，但在java中把它当作对象类型来对待，因此在创建数组时必须使用new操作符。

要创建一个数组，你必须首先定义数组变量所需的类型。

通用的一维数组的声明格式是：

Typevar-name[];

获得一个数组需要两步。

第一步，你必须定义变量所需的类型。

第二步，你必须使用运算符new来为数组所要存储的数据分配内存，并把它们分配给数组变量。

这样java中的数组被动态地分配。

如下所示：

Int[]intArray;//声明一个数组变量

intArray=newint[100]//给数组变量分配内存空间

或者使用等价的但语句声明方法：

Int[]intArray=newint[100];

[]操作符对于编译器来说是一个标志，它说明正在命名的是数组对象而不是普通的变量。

当然还可以通过另一种语法来使用这个操作符，将它放在变量名的后面而不是类型的后面：

IntintArray[]=newint[100];

但是将[]放在int后面会清楚的说明[]是数据类型的一部分，而不是变量名的一部分。

由于数组是一个对象，所以它的名字（前面程序中的intArray）是数组的一个引用：

它并不是数组本身。

数组存储在内存中的其它地址中，而intArray仅仅保存着这个地址。

数组有一个length字段，通过它可以得知当前数组大小（数据项的个数）；

Intarraylength=intArray.length;//取得数组长度

数组一旦被创建，其大小不可改变。

1.2.2.3一维数组的初始化

当创建整型数组后，如果不另行指定，那么整型数组会自动初始化成空。

与C++不同的是，即使通过方法（函数）来定义数组也是这样的。

常见一个对象数组如下：

autoData[]varArray=newautoData[4000];

除非将特定的值赋给数组数据项，否则它们一直是特殊的null对象。

如果尝试访问一个含有null的数组数据项，程序会出项NullPointerAssignment（空指针赋值）的运行错误。

这主要是为了保证在读取某个数据项之前要先对其赋值。

使用下面的语法可以对一个基本类型的数组初始化，赋入非空值：

int[]intArray={0,3,6,9,12,15,18,21,24,27};

上面的语句可能简单的令人惊讶，它同时取代了引用声明和使用new来创建数组。

在大括号中的数据被称为数据列表。

数组大小由列表中数据项的个数决定。

1.2.2.4一维数组数据项的访问

数组数据项通过使用方括号中的下标数来访问。

这与其它语言类似：

Temp=intArray[3];//定义一个有四个数据项的数组

intArray[7]=66;//给第八个数组元素赋值为66

请注意无论是C，C++，还是java中，第一个数据项的下标都是0，所以，一个有10个数据项的数组小标是0至9.

如果访问小于0或者比数组大小大的数据项，程序会出现ArrayIndexOutOfBounds（数组小标越界）的运行错误。

第三-四课时

教学目标

多维数组概念，多维数组的声明，多维数组的初始化，多维数组长度的取得，锯齿数组的简单介绍。

1.2.3-4.1引言

在学校里，由于一个班的人数不多，所以按照顺序编号即可，当人数增多时，例如对于学校里的人，在编号时就要增加层次，例如XX班XX号。

在部队中也是这样，XX师XX团XX营XX连XX排XX班，这里的层次就比较深了。

为了管理数据的方便，一般要加深管理的层次，这就是多维数组的由来。

多维数组，指二维以及二维以上的数组。

二维数组有两个层次，三维数组有三个层次，依次类推。

每个层次对应一个下标。

在实际使用中，为了使结构清晰，一般对于复杂的数据都是用多维数组。

关于多维数组的理解，最终的是理解数组的数组这个概念，因为数组本身就是一种复合数据类型，所以数组也可以作为数组元素存在。

这样二维数组就可以理解成内部每个元素都是一维数组类型的一个一维数组。

三维数组可以理解成一个一维数组，内部的每个元素都是二维数组。

无论在逻辑上还是语法上都支持“数组的数组”这种理解方式。

通常情况下，一般用二维数组的第一维代表行，第二维代表列，这种逻辑结构和现实中的结构一致。

和一维数组类似，因为多维数组有多个下标，那么引用数组中的元素时，需要指定多个下标。

下面以二维数组为例，来介绍多维数组的语法。

1.2.3-4.2多维数组声明

多维数组的声明如下：

数据类型[][]数组名称;

数据类型[]数组名称[];

数据类型数组名称[][];

以上三种语法在声明二维数组时的功能是等价的。

同理，声明三维数组时需要三对中括号，中括号的位置可以在数据类型的后面，也可以在数组名称的后面，其它的依次类推。

例如:

int[][]map;

charc[][];

和一维数组一样，数组声明以后在内存中没有分配具体的存储空间，也没有设定数组的长度。

1.2.3-4.3多维数组初始化

和一维数