数据结构教案C语言版.docx
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数据结构教案C语言版
课程教案
课程名称：
数据结构
授课教师：
学习对象：
任课时间：
一、学生情况分析
数据结构是计算机专业的一门核心专业课程。
学生在前期的学习中已经学习了C语言程序设计课程。
通过本课程学习使学生对提高编写程序的能力以及解决实际问题的能力。
二、课程教学目标
《数据结构》是计算机学科中一门核心专业基础课。
主要介绍如何合理地组织数据、有效地存储和处理数据，正确地设计算法以及对算法的分析和评价。
通过本课程的学习，使学生深透地理解数据结构的逻辑结构和物理结构的基本概念以及有关算法，培养基本的、良好的程序设计技能，编制高效可靠的程序，为学习操作系统、编译原理和数据库等课程奠定基础。
三、课程教学内容
第一章绪论
教学内容：
1）什么是数据结构
2）抽象数据类型概念；数据类型；数据抽象与抽象数据类型；用于描述数据结构的语言
3）数据结构的抽象层次
4）算法定义
5）性能分析与度量；算法的性能标准；算法的后期测试；算法的事前估计；空间复杂度度量；时间复杂度度量；时间复杂度的渐进表示法；
教学要求：
了解：
数据结构基本概念及数据结构的抽象层次
了解：
抽象数据类型概念
了解：
算法的定义及算法特性
掌握：
算法的性能分析与度量方法
第二章线性表
教学内容：
1）线性表的定义和特点
2）线性表的顺序存储及查找、插入和删除操作
3）线性表的链式存储及查找、插入和删除操作
4）使用线性表的实例
教学要求：
了解：
线性表的定义和特点
熟练掌握：
线性表的顺序存储结构的查找、插入和删除等基本操作
熟练掌握：
单链表、循环链表及双向链表的定义及实现
掌握：
熟练掌握单链表的应用方法
第三章栈和队列
教学内容：
1）栈：
栈的抽象数据类型；栈的顺序存储表示；栈的链式存储表示
2）队列：
队列的抽象数据类型；队列的顺序存储表示；队列的链式存储表示
3）队列的应用举例
教学要求：
熟练掌握：
栈的定义及实现
熟练掌握：
队列的定义及实现
掌握：
能运用栈和队列解决简单实际问题
第四章串
教学:
内容：
1）字符串的抽象数据类型
2）字符串操作的实现
3）字符串的模式匹配
教学要求：
熟练掌握：
字符串的定义方式
熟练掌握：
字符串的各种操作的实现
了解：
字符串的模式匹配算法
第五章数组和广义表
教学:
内容：
1）数组的定义和初始化
2）作为抽象数据类型的数组的顺序存储方式
教学要求：
了解：
作为抽象数据类型的数组的定义
熟练掌握：
顺序表的数组定义方式及实现
第六章树和二叉树
教学内容：
1）树和森林的概念：
树的定义；树的术语；树的抽象数据类型；森林的概念
2）二叉树：
二叉树的定义；二叉树的性质；二叉树的抽象数据类型
3）二叉树的表示：
数组表示；链表存储表示
4）二叉树的遍历：
中序遍历；前序遍历；后序遍历；应用二叉树遍历的实例；二叉树的中序非递归算法
5）线索化二叉树：
线索；中序线索化二叉树；前序与后序的线索化
6）树与森林：
树的存储表示；森林与二叉树的转换；树的遍历；森林的遍历
7）二叉树的计数
8）霍夫曼树：
路径长度；霍夫曼树；霍夫曼树编码
教学要求：
了解：
树和森林的概念
掌握：
二叉树的概念、性质及二叉树的表示
熟练掌握：
二叉树的遍历方法
掌握：
线索化二叉树的特性及寻找某结点的前驱和后继的方法
掌握：
树和森林的实现及遍历方法
掌握：
二叉树的计数方法及从二叉树遍历结果得到二叉树的方法
掌握：
霍夫曼树的实现方法及霍夫曼编码的概念
第七章图
教学内容：
1）图的基本概念：
图的基本概念；图的抽象数据类型
2）图的存储表示：
邻接矩阵；邻接表；邻接多重表
3）图的遍历与连通性；深度优先搜索；广度优先搜索；连通分量
4）最小生成树：
克鲁斯卡尔算法；普里姆算法
教学要求：
掌握：
图的基本概念和图的存储表示
熟练掌握：
图的两种遍历方法与求解连通性问题的方法
掌握：
构造最小生成树的Prim和Kruskal方法
第九章查找
教学内容：
1）静态查找表：
顺序表的查找；有序表的查找；索引顺序表的查找
2）二叉排序树：
二叉排序树上的搜索、插入和删除
教学要求：
熟练掌握：
静态搜索表的顺序搜索和折半搜索方法
熟练掌握：
二叉搜索树的表示、搜索、插入、删除算法及其性能分析方法
第一十章内部排序
教学内容：
1）概述
2）插入排序：
直接插入排序；对分插入排序；链表插入排序；希尔排序
3）选择排序：
直接选择排序；堆排序
教学要求：
掌握：
排序的基本概念和性能分析方法
掌握：
插入排序、选择排序、等内排序的方法及性能分析方法
单元名称：
第一讲：
绪论
一、教学目标
1.了解《数据结构》课程的体系结构
2.掌握本章介绍的各种基本概念和术语
3.了解数据结构的二元组表示
4.掌握逻辑结构与物理结构之间的映像关系。
二、重点与难点
重点：
数据结构的基本概念；逻辑结构与物理结构之间的映像关系。
难点：
逻辑结构与物理结构之间的映像关系。
三、教学内容与教学过程
介绍本学期课程的内容及安排
本课程是计算机专业的重要专业课之一，主要介绍常用的数据结构以及相关算法。
本课程主要讲授线性表、栈和队列、串、数组、树和二叉树、图、查找、排序等内容。
成绩考核方式为：
期末成绩+平时成绩，其中期末成绩占70%，平时成绩占
30%，平时成绩为：
作业成绩+出勤率+上机成绩。
讲授新课
1.1什么是数据结构
讲解：
（数据结构课程的研究背景）
从计算机最初以数值计算为主到大量非数值计算出现引出数据结构。
讲解：
（数据结构课程的研究对象）
例1-1图书馆的书目检索系统自动化问题。
1-2计算机和人机对奕问题
1-3多叉路口交通灯的管理问题
总结：
从以上三个例子可以看出，描述这类非数值计算问题的数学模型不再是数学方程，而
是诸如线性表、树和图等之类的数据结构，这些都是数据结构课程的研究对象。
因此，简单地说，数据结构是一门研究非数值计算的程序设计问题中计算机的操作对象以及它们之间的关系和操作等等的学科。
介绍数据结构课程的发展以及与其他课程之间的关系。
1.2基本概念和术语
基本概念：
数据、数据元素、数据项、数据对象、数据结构、结构
（1）常见基本结构（逻辑结构）：
集合、线性结构、树形结构、图状结构或网状结构
数据结构的形式定义：
数据结构一般用一个二元组来表示：
Data_Structure=（D,S）
其中：
D是数据元素的有限集，S是D上的关系的有限集
表示一种数据结构，它由数据元素集合K和在K上定义的一种二元关系的集合R所组成。
其中：
是数据元素的有限集合，n为
中数据元素的个数。
是K上关系的有限集合，m为K上关系的个数，通常情况下m的取值为1。
K上任何一个二元关系Rj是序偶的集合。
对于Rj中的任一序偶（x，y
K），称x为第一个元素（或y的前驱），y为第二个元素（或x的后继）。
数据结构中的数据元素和数据元素之间的关系还可以用图形直观地表示出来。
图形中的每个结点对应一个数据元素，两结点之间带箭头的连线对应二元关系中的一个序偶，其中序偶的第一个元素称为弧尾，第二个元素称为弧头。
举例讲解：
例数据结构line={K，R}，其中K={01，02，03，04，05，06，07，08，09，10}，R={r}，r={<01，02>，<02，03>，<03，04>,<04，05>，<05，06>，<06，07>，<07，08>，<08，09>，<09，10>}。
例数据结构tree={K，R}，其中K={01，02，03，04，05，06，07，08，09，10}，R={r}，r={<01，02>，<01，03>，<01，04>，<02，05>，<02，06>，<04，07>，<04，08>，<06，09>，<06，10>}。
例数据结构graph={K，R}，其中K={01，02，03，04，05}，R={r}，r={<01，02>，<02，01>，<01，04>，<04，01>，<01，03>，<03，01>，<02，04>，<04，02>，<03，05>，<05，03>}。
介绍常见数据结构（集合、线性结构、树型结构、图型结构）具体表示方式
（2）逻辑结构
上述数据结构的定义是对操作对象的一种数学描述，是从操作对象抽象出来的数学模型。
结构定义中的“关系”描述的是数据元素之间的逻辑关系，因此又称为数据的逻辑结构。
根据这种逻辑关系通常将数据结构划分为线性结构和非线性结构，其中非线性结构又分为树型结构和图型结构。
（3）物理结构
数据结构在计算机中的表示（存储映象）称为数据的物理结构或存储结构，它涉及到数据元素及其相互关系在计算机内部的表示形式。
数据元素之间的关系在计算机中有两种不同的表示方法：
顺序映像和非顺序映像。
根据数据元素相互之间的关系在计算机中的表示形式将数据的物理结构划分为顺序结构和链式结构。
顺序映像的特点是借助元素在存储器中的相对位置来表示数据元素之间的逻辑关系。
非顺序映像的特点是借助指示元素存储地址的指针表示数据元素之间的逻辑关系。
注意：
数据的逻辑结构和物理结构是密切相关的两个方面，任何一个算法的设计取决于选定的数据的逻辑结构，而算法的实现依赖于采用的存储结构。
（4）数据结构一般包括三方面内容：
数据的逻辑结构、数据的存储结构、数据的运算（举例讲解）
小结：
总结本讲的主要内容
四、作业布置
见习题集
单元名称：
第二讲：
线性表的类型定义，线性表的顺序存储
一、教学目标
掌握线性表的顺序表示和实现
二、重点与难点
线性表的顺序表示和实现。
三、教学过程的具体安排
讲授新课
2.1线性表的类型定义
线性表的定义：
一个线性表是n个数据元素的有限序列。
其中每个数据元素的具体含义，在不同的情况下各不相同，但是同一线性表中的元素必定具有相同特性，即属于同一数据对象。
例如：
26个英文字母表；学生健康情况登记表（图2.1）等。
例如线性表（a1,…,ai-1,ai,ai+1,…,an），称ai-1是ai的直接前驱元素，ai+1是ai的直接后继。
引导学生自己总结线性结构的特点。
线性表的长度：
线性表中元素的个数（n≥0），n=0为空表。
线性表中数据元素的位序（如数据元素ai在线性表中的位序为i）。
抽象数据类型线性表的定义：
讲解定义中的数据对象，数据关系以及基本操作（教材P19），重点讲解常用的基本操作含义。
通过示例2-1，2-2讲解更复杂的基本操作，并分析时间复杂度。
2.2线性表的顺序表示和实现
（1）线性表的顺序表示：
用一组地址连续的存储单元依次存储线性表的数据元素。
（2）顺序储存的地址关系：
假设线性表的每个元素需占用l个存储单元，并以所占的第一个单元的存储地址作为数据元素的存储位置。
则线性表中第i+1个数据元素的存储位置LOC（ai+1）和第i个数据元素的存储位置LOC（ai）之间满足下列关系：
LOC（ai+1）=LOC（ai）+l
线性表的第i个数据元素ai的存储位置为：
LOC（ai）=LOC（a1）+（i-1）*l，其中LOC（a1）为线性表的基地址。
（3）顺序表及其特点,顺序储存结构是一种随机存取的存储结构。
（4）线性表的动态分配顺序存储结构。
#defineLIST_INIT_SIZE100
#defineLISTINCREMENT10
Typedefstruct{
ElemType*elem;
intlength;
intlistsize;
}SqList;
（1）基于顺序存储结构的基本操作的实现
主要介绍下面的基本操作并且分析时间复杂度。
InitList_Sq（SqList&L）;ListInsert_Sq（SqList&L,inti,ElemTypee）;ListDelete_Sq（SqList&L,inti,ElemType&e）;LocateElem_Sq（SqListL,ElemTypee,Status（*compare）（ElemType,ElemType））;MergeList_Sq（SqListLa,SqListLb,SqList&Lc）;
重点讲解：
顺序存储结构上实现线性表的插入操作
设线性表
，为了保证线性表的有序性，当在位置i
之前插入一个新的数据元素x时，需要将第i个到第n个数据元素均向后移动一个位置，然后将数据元素x存储到第i个位置上并改变线性表的长度。
StatusListInsert_Sq（SqList&L,inti,ElemTypee）{
//在顺序线性表L的第i个元素之前插入新的元素e，
//i的合法值为1≤i≤Listlength_Sq（L）+1
if（i<1||i>L.length+1）returnERROR;//插入位置不合法
if（L.length>=L.listsize）{//当前存储空间已满，增加分配
newbase=（ElemType*）realloc（L.elem,
（L.listsize+LISTINCREMENT）*sizeof（ElemType））;
if（!
newbase）exit（OVERFLOW）;//存储分配失败
L.elem=newbase;//新基址
L.listsize+=LISTINCREMENT;//增加存储容量
}
q=&（L.elem[i-1]）;//q指示插入位置
for（p=&（L.elem[L.length-1]）;p>=q;--p）*（p+1）=*p;
//插入位置及之后的元素右移
*q=e;//插入e
++L.length;//表长增1
returnOK;
}//ListInsert_Sq
平均时间复杂度分析：
顺序存储结构上实现线性表的删除操作
设线性表
，为了保证线性表的有序性,当删除第
个位置上的元素后，需要将第i+1个到第n个数据元素均向前移动一个位置并改变线性表的长度。
StatusListDelete_Sq（SqList&L,inti,ElemType&e）{
//在顺序线性表L中删除第i个元素，并用e返回其值。
//i的合法值为1≤i≤ListLength_Sq（L）
if（（i<1）||（i>L.length））returnERROR;//删除位置不合法
p=&（L.elem[i-1]）;//p为被删除元素的位置
e=*p;//被删除元素的值赋给e
q=L.elem+L.length-1;//表尾元素的位置
for（++p;p<=q;++p）*（p-1）=*p;//被删除元素之后的元素左移
--L.length;//表长减1
returnOK;
}//ListDelete_Sq
平均时间复杂度分析：
总结：
顺序存储结构的优缺点
顺序结构的优点是结构简单，对数据元素既可以实现顺序访问，又可以实现随机访问；缺点是插入和删除操作需要移动大量的数据元素。
小结：
本讲主要介绍了线性表的逻辑结构定义和基本运算，线性表的插入和删除操作在顺序存储结构上的实现。
小结：
总结本讲的主要内容
四、作业布置
见习题集
实验作业见实验指导
单元名称：
第三讲：
线性表链式存储
一、教学目标
掌握单链表的表示和实现
二、重点与难点
单链表的存储结构和基本操作实现。
三、教学内容与教学过程
复习线性表的顺序存储结构的特点引入另一种表示方法链式存储结构。
讲授新课
2.3.1线性链表
（1）线性链表
线性链表：
用一组任意的存储单元存储线性表的数据元素（这组存储单元可以是连续的，也可以是不连续的）。
线性链表的存储结构：
以元素（数据元素的映象）+指针（指示后继元素存储位置）=结点（表示数据元素或数据元素的映象），其中指针域只有一个。
举例讲解：
教材图2.5
线性表中第一个数据元素的存储地址作为线性表的地址，称作线性表的头指针。
有时为了操作方便，在第一个结点之前虚加一个“头结点”，以指向头结点的指针为链表的头指针。
线性表为空时，头结点的指针域为空。
举例如图2.7.
线性表的单链表存储结构的C语言描述：
typedefstrucLNode{//定义单链表结点
ElemTypedata;
structLNode*next；//指向后继的指针域
}LNode,*LinkList；
单链表操作的实现：
GetElem（L,i,e）//取第i个数据元素
ListInsert（&L,i,e）//插入数据元素
ListDeleCreateList（&L,n）//生成含n个数据元素的链表
CreateList（&L,n）//生成含n个数据元素的链表
MergeList（&La,&Lb,&Lc）//合并两个有序链表
（1）建立单链表（要求从头部插入）
voidCreateList_L（LinkList&L,intn）{
//逆位序输入n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L。
L=（LinkList）malloc（sizeof（LNode））;
L->next=NULL;//先建立一个带头结点的单链表
for（i=n;i>0;--i）{
p=（LinkList）malloc（sizeof（LNode））;//生成新结点
scanf（&p->data）;//输入元素值
p->next=L->next;L->next=p;//插入到表头
}
}//CreateList_L
注：
从头部插入元素建立单向链表得到的线性序列为输入序列的逆序列。
（2）建立单链表（要求从尾部插入）
voidCreateList_L（LinkList&L,intn）{
//正位序输入n个元素的值，建立带表头结点的单链线性表L。
L=（LinkList）malloc（sizeof（LNode））;
r=L;
L->next=NULL;//先建立一个带头结点的单链表
for（i=n;i>0;--i）{
p=（LinkList）malloc（sizeof（LNode））;//生成新结点
scanf（&p->data）;//输入元素值
p->next=r->next;r->next=p;r=p;//插入到表尾
}
}//CreateList_L
（3）在带头结点的单链表中插入结点
分析：
设在结点a和结点b之间插入数据为x的结点，通过图来分析则插入前和插入后的情况。
StatusListInsert_L（LinkListL,inti,ElemTypee）{
//在带头结头的单链表L中第i位置之前插入元素e
p=L;j=0;
while（p&&jnext;++j;}//寻找第i-1个结点
if（!
p||j>i-1）returnERROR;//i小于1或者大于表长
s=（LinkList）malloc（sizeof（LNode））;//生成新结点
s->data=e;s->next=p->next;//插入L中
p->next=s;
returnOK;
}//LinstInsert_L
（4）在带头结点的单链表中删除结点
StatusListDelete_L（LinkListL,inti,ElemType&e）{
p=L;j=0;
while（p->next&&jnext;++j;}
//寻找第i个结点并令p指向其前趋
if（!
（p->next）||j>i-1）returnERROR;//删除位置不合理
q=p->next;p->next=q->next;//删除并释放结点
e=q->data;free（q）;
returnOK;
}//ListDelete_L
注：
上述两个算法的时间复杂度均为O（n）。
单链表的优点：
它是一种动态结构，整个存储空间为多个链表共用
不需预先分配空间
插入、删除操作方便
单链表的缺点：
指针占用额外存储空间
不能随机存取，查找速度慢
小结：
本讲主要介绍了单链表的存储结构，以及的基本操作（建立、插入和删除）的实现。
四、作业布置
见习题集
实验作业见实验指导。
第四讲循环链表，双向链表，链表应用
一、教学目标
1．了解循环链表和的基本概念；
2．掌握双向链表的插入和删除操作；
3．掌握一元多项式的表示及加法在链式存储结构上的实现。
二、重点与难点
双向链表的存储结构和基本操作实现。
三、教学内容与教学过程
讲授新课
单向循环链表
设指针p指向单向链表中最后一个结点，则p->next的值是0，表示该结点是单向链表的最后一个结点。
如果将单向链表中的最后一个结点的指针域改为存放单向链表中第一个结点的地址值，使得整个线性链表构成一个环，则称这种线性链表为单向循环链表。
设p指向单向循环链表中的最后一个结点，则p->next的值不是0而是等于指向循环链表中的第一个结点head的值。
双向链表
如果链表中的每个结点都有两个指针域，分别指向其前驱结点和后继结点，则称这种链表为双向链表。
双向链表中的结点类型描述如下：
typedefstructDuLNode{
ElemTypedata;//数据域
structDuLNode*prior;//指向前驱的指针域
structDuLNode*next;//指向后继的指针域
}DuLNode,*DuLinkList;
设指针p指向双向链表中的某个结点，则显然有以下的结论：
p->prior->next==p==p->next->prior
（1）双向链表的插入操作
设指针变量p指向双向链表中的结点A，指针变量q指向被插入的新结点B，则在结点A的后面插入结点B的操作序列为：
（1）q->next=p->next；
（2）p->next->prior=q；
（3）p->next=q；（4）q->prior=p；
（2）双向链表的删除操作
设指针变量p指向双向链表中被删除的结点X，则删除结点X的操作序列为：
（1）p->prior->next=p->next；
（2）p->next->prior=p->prior；（3）free（p）；
注：
在双向链表或双向循环链表中进行插入和删除操作时，尤其要注意修改有关结点指针域的操作次序，以免丢失链域信息而造成链表中断的错误。
链式存储结构的应用：
一元多项式的表示及相加
一元多项式
可按升幂写成：
它由n+1个系数唯一确定。
在计算机中，可用一个线性表P来表示：
升级会员 