線性表
線性表就是數(shù)據(jù)排成像一條線的結(jié)構(gòu)砚尽，每個(gè)線性表上的數(shù)據(jù)最多只有前和后兩個(gè)方向拆撼。與線性表對(duì)立的是非線性表容劳，如二叉樹(shù)、堆闸度、圖就是非線性表結(jié)構(gòu)竭贩。非線性表中，數(shù)據(jù)不只是簡(jiǎn)單的前后關(guān)系莺禁。線性表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有數(shù)組留量、鏈表、隊(duì)列等哟冬。
數(shù)組
數(shù)組楼熄，用一組連續(xù)的內(nèi)存空間存儲(chǔ)一組相同類型的數(shù)據(jù)。
定義中牽扯到幾個(gè)關(guān)鍵詞：
- 連續(xù)的內(nèi)存空間和相同的數(shù)據(jù)類型
正是因?yàn)檫@兩個(gè)限制浩峡，數(shù)組才能夠隨機(jī)訪問(wèn)孝赫，但這也讓數(shù)組的很多操作變得低效，例如數(shù)組插入红符、刪除數(shù)據(jù)青柄，為了保證連續(xù)性，需要做數(shù)據(jù)搬移的工作预侯。
數(shù)組的隨機(jī)訪問(wèn)：
a[i]_address = base_address + i * data_type_size
base_address是數(shù)組首地址致开，data_type_size是每個(gè)元素的大小。因?yàn)橄嗤匚冢詃ata_type_size相同双戳。這也是為什么數(shù)組的小標(biāo)通常從0開(kāi)始，因?yàn)榈谝粋€(gè)元素的地址就是數(shù)組首地址糜芳。
高級(jí)語(yǔ)言中飒货，針對(duì)數(shù)組類型都提供了容器類魄衅，如Java中的ArrayList、OC中的NSArray塘辅。這些容器類會(huì)將很多數(shù)組操作的細(xì)節(jié)封裝起來(lái)晃虫，這些容器類都支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，當(dāng)存儲(chǔ)空間不夠時(shí)自動(dòng)擴(kuò)容為原來(lái)的若干倍扣墩。擴(kuò)容涉及內(nèi)存的申請(qǐng)和數(shù)據(jù)的搬移哲银，比較耗時(shí)，如果事先知道存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大小呻惕，最好在創(chuàng)建時(shí)事先指定好數(shù)組大小荆责。
當(dāng)遇到如下情況時(shí)優(yōu)先選擇使用數(shù)組：
- 特別關(guān)注性能或希望存儲(chǔ)使用基本數(shù)據(jù)類型
- 數(shù)據(jù)大小事先已知，對(duì)數(shù)據(jù)的操作簡(jiǎn)單用不到容器類提供的大部分方法
- 多維數(shù)組時(shí)亚脆，用數(shù)組更加直觀
對(duì)于業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)做院，使用容器類就足夠了，開(kāi)發(fā)效率更高濒持，損失的一點(diǎn)點(diǎn)性能不影響系統(tǒng)整體的性能山憨。做非常底層的開(kāi)發(fā)，如網(wǎng)絡(luò)框架弥喉，性能優(yōu)化要做到極致郁竟，優(yōu)先使用數(shù)組。
鏈表
鏈表通過(guò)指針將一組零散的內(nèi)存塊串聯(lián)在一起由境，每個(gè)內(nèi)存塊稱為鏈表的結(jié)點(diǎn)棚亩。
這篇文章介紹三種常見(jiàn)的鏈表結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗蜴湵怼㈦p向鏈表虏杰、循環(huán)鏈表讥蟆。
- 單向鏈表
單向鏈表只有一個(gè)方向，結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)后繼指針next指向后面的結(jié)點(diǎn)纺阔。單項(xiàng)鏈表有兩個(gè)點(diǎn)比較特殊瘸彤。第一個(gè)結(jié)點(diǎn)也叫頭結(jié)點(diǎn)，是用來(lái)記錄鏈表的基地址笛钝，有了它我們可以遍歷整條鏈表质况。最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)也叫尾結(jié)點(diǎn)，尾結(jié)點(diǎn)指向一個(gè)空地址Null玻靡，表示這是鏈表上最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)结榄。
鏈表也支持查找、插入囤捻、刪除操作臼朗。跟數(shù)組相比，鏈表的插入和刪除操作只需改變相鄰結(jié)點(diǎn)的指針，對(duì)應(yīng)的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)视哑。而鏈表因?yàn)閮?nèi)存不連續(xù)绣否，先要訪問(wèn)第K個(gè)元素只能根據(jù)指針依次遍歷結(jié)點(diǎn)，直到找到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)挡毅，對(duì)應(yīng)的時(shí)間復(fù)雜度為O(n)蒜撮。
- 循環(huán)鏈表
循環(huán)鏈表是一種特殊的單向鏈表，它和單向鏈表唯一的區(qū)別是尾結(jié)點(diǎn)指向鏈表的頭結(jié)點(diǎn)慷嗜。
循環(huán)鏈表的優(yōu)點(diǎn)是從鏈尾到鏈頭比較方便，當(dāng)要處理的數(shù)據(jù)具有環(huán)形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)丹壕，適合采用循環(huán)列表庆械，例如約瑟夫問(wèn)題。
- 雙向鏈表
雙向鏈表菌赖，支持兩個(gè)方向缭乘，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的后繼指針next指向后面的結(jié)點(diǎn)，前驅(qū)指針prev指向前面的結(jié)點(diǎn)琉用。
雙向鏈表需要額外的空間存儲(chǔ)后繼和前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的地址堕绩，所以雙向鏈表占用內(nèi)存更多，但可以支持雙向遍歷邑时，使得雙向鏈表在某些情況的下的插入奴紧、刪除、查詢操作更高效晶丘。比如刪除指定指針指向的結(jié)點(diǎn)黍氮，因?yàn)殡p向鏈表中保存了前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的指針，單向鏈表為了找到前驅(qū)結(jié)點(diǎn)要從頭遍歷浅浮。再比如向指定結(jié)點(diǎn)前插入一個(gè)結(jié)點(diǎn)沫浆，查詢一個(gè)有序鏈表等，雙向鏈表的效率都要更高滚秩。
這就是用“空間換時(shí)間”的設(shè)計(jì)思想专执。當(dāng)內(nèi)存空間充足，追求代碼執(zhí)行速度郁油，可以選擇空間復(fù)雜度相對(duì)高但時(shí)間復(fù)雜度低的算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本股。反過(guò)來(lái)，內(nèi)存緊缺桐腌，使用時(shí)間復(fù)雜度高但空間復(fù)雜度低的算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)痊末，這就是“時(shí)間換空間”設(shè)計(jì)思想。
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雙向循環(huán)鏈表
把循環(huán)鏈表和雙向鏈表結(jié)合在一起就是雙向循環(huán)鏈表哩掺。
雙向循環(huán)鏈表.jpg
鏈表實(shí)現(xiàn)LRU緩存淘汰策略
緩存是一種提高數(shù)據(jù)讀取性能的技術(shù)凿叠，但緩存大小有限，需要制定策略當(dāng)緩存用滿時(shí)，將哪些數(shù)據(jù)清理出去哪些數(shù)據(jù)保留盒件。常見(jiàn)策略有三種：
- 先進(jìn)先出策略FIFO(First in First out)
- 最少使用策略LFU(Least Frequently Used)
- 最近最少使用策略LRU(Least Recently Used)
下面說(shuō)一些基于鏈表實(shí)現(xiàn)LRU緩存淘汰算法蹬碧，維護(hù)一個(gè)有序單向鏈表，越靠近鏈表尾部的結(jié)點(diǎn)是越早訪問(wèn)的數(shù)據(jù)炒刁。當(dāng)有新數(shù)據(jù)被訪問(wèn)恩沽，從鏈表頭部開(kāi)始遍歷鏈表：
- 如果此數(shù)據(jù)已經(jīng)緩存在鏈表中，將遍歷得到的結(jié)點(diǎn)從原來(lái)的位置刪除翔始，再插入到鏈表的頭部罗心；
- 如果鏈表中沒(méi)有緩存過(guò)，且緩存未滿城瞎，直接將結(jié)點(diǎn)插入鏈表頭部渤闷；
- 如果鏈表中沒(méi)有緩存過(guò)，且緩存已滿脖镀，將尾結(jié)點(diǎn)刪除飒箭，再將新的數(shù)據(jù)插入鏈表頭部；
這樣就用鏈表實(shí)現(xiàn)了LRU緩存蜒灰。
棧
棧是這樣一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)弦蹂，越先存入棧中的數(shù)據(jù)，越后從棧中移除强窖。后進(jìn)者先出凸椿，先進(jìn)者后出，這就是典型的棧結(jié)構(gòu)翅溺。
當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)集合只涉及在一段插入和刪除數(shù)據(jù)削饵，且滿足后進(jìn)先出、先進(jìn)后出的特性未巫，應(yīng)該首選棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)窿撬。
棧的實(shí)現(xiàn)
棧可以用鏈表和數(shù)組實(shí)現(xiàn)叙凡，用數(shù)組實(shí)現(xiàn)的叫做順序棧劈伴，用鏈表實(shí)現(xiàn)的叫做鏈?zhǔn)綏！?/p>
棧的應(yīng)用
棧作為一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用場(chǎng)景很多
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函數(shù)調(diào)用棧
操作系統(tǒng)給每個(gè)線程分配一塊獨(dú)立的內(nèi)存空間握爷，這塊內(nèi)存被組織成棧這種結(jié)構(gòu)跛璧，用來(lái)存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用的臨時(shí)變量。每進(jìn)入一個(gè)函數(shù)新啼，就會(huì)將臨時(shí)變量作為一個(gè)棧幀入棧追城，函數(shù)執(zhí)行完畢將函數(shù)對(duì)應(yīng)的棧幀出棧。
函數(shù)棧.jpg 棧在表達(dá)式求值中的應(yīng)用
通過(guò)兩個(gè)棧實(shí)現(xiàn)表達(dá)式求值燥撞，一個(gè)保存操作數(shù)的棧座柱，另一個(gè)保存運(yùn)算符的棧迷帜。從左向右遍歷表達(dá)式，數(shù)字壓入操作數(shù)棧色洞，遇到運(yùn)算符戏锹，與運(yùn)算符棧的棧頂元素比較優(yōu)先級(jí)，如果比棧頂元素優(yōu)先級(jí)高火诸，就將當(dāng)前運(yùn)算符壓入棧锦针。如果比棧頂元素優(yōu)先級(jí)低或相等，從運(yùn)算符棧取棧頂運(yùn)算符置蜀，從操作數(shù)棧棧頂取兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行計(jì)算奈搜，再把計(jì)算完的結(jié)果壓入棧，繼續(xù)比較盯荤。如下圖
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瀏覽器前進(jìn)后退功能
使用兩個(gè)棧X和Y馋吗，將首次瀏覽的頁(yè)面依次壓入棧X，點(diǎn)擊后退按鈕時(shí)廷雅，依次從棧X中出棧并將出棧數(shù)據(jù)依次壓入棧Y耗美。點(diǎn)擊前進(jìn)按鈕時(shí)京髓，依次從棧Y中取出數(shù)據(jù)壓入棧X中航缀。當(dāng)棧X沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，說(shuō)明沒(méi)有頁(yè)面可以后退瀏覽了堰怨。當(dāng)棧Y沒(méi)有數(shù)據(jù)芥玉，說(shuō)明沒(méi)有頁(yè)面可以前進(jìn)瀏覽了。
瀏覽器.jpg
隊(duì)列
隊(duì)列备图，就像排隊(duì)買票灿巧，先來(lái)的先買后來(lái)的站在末尾排隊(duì)。先進(jìn)者先出揽涮，就是“隊(duì)列”抠藕。隊(duì)列也是一種操作受限的線性表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。只能將數(shù)據(jù)放到隊(duì)尾蒋困，叫做入隊(duì)盾似；從隊(duì)列頭部取元素，叫做出隊(duì)雪标；
隊(duì)列可用數(shù)組和鏈表實(shí)現(xiàn)零院，數(shù)組實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列叫做順序隊(duì)列，鏈表實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列叫做鏈?zhǔn)疥?duì)列村刨。
隊(duì)列需要兩個(gè)指針：head指針指向隊(duì)頭告抄；tail指針，指向隊(duì)尾嵌牺。結(jié)合下圖理解打洼，a龄糊、b、c拟蜻、d依次入隊(duì)后绎签，隊(duì)列中的head指針指向0的位置，tail指針指向4的位置
兩次出隊(duì)操作后酝锅，head指向2的位置诡必，tail仍指向4的位置
隨著不停的入隊(duì)出隊(duì)，tail 和 head會(huì)持續(xù)向后移動(dòng)搔扁。當(dāng)tail移動(dòng)到最右邊時(shí)爸舒，即使數(shù)組中還有空間，也無(wú)法繼續(xù)往隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)了稿蹲。
此時(shí)需要通過(guò)數(shù)據(jù)搬移來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題扭勉，但如果每次出隊(duì)都搬移整個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)，出隊(duì)的時(shí)間復(fù)雜度從O(1)變?yōu)镺(n)苛聘。我們可以在沒(méi)有空閑空間的情況下涂炎，入隊(duì)時(shí)集中做一次數(shù)據(jù)搬移操作即可，這樣出隊(duì)保持不變设哗。
循環(huán)隊(duì)列
用數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的時(shí)候唱捣，在 tail==n 時(shí)，會(huì)有數(shù)據(jù)搬移网梢，這樣入隊(duì)操作性能就會(huì)受到影響震缭，循環(huán)隊(duì)列也可以解決這個(gè)問(wèn)題。
隊(duì)列大小為8战虏，當(dāng)前head=4拣宰，tail=7。當(dāng)再有新元素入隊(duì)烦感，放入7的位置巡社，但不把tail更新為8，而是在環(huán)中后移一位到0的位置手趣，再有新元素入隊(duì)放入位置0晌该。通過(guò)這樣，避免了數(shù)據(jù)搬移回懦。實(shí)現(xiàn)循環(huán)隊(duì)列的關(guān)鍵是气笙，確定好隊(duì)滿和隊(duì)空的判定條件。
隊(duì)滿判斷條件：head = tail;
隊(duì)空判斷條件：(tail+1)%n = head;
阻塞隊(duì)列
阻塞隊(duì)列是在隊(duì)列基礎(chǔ)上增加了阻塞條件怯晕。隊(duì)列為空時(shí)潜圃，從隊(duì)頭取數(shù)據(jù)會(huì)被阻塞，直到隊(duì)列中有了數(shù)據(jù)才能返回舟茶；隊(duì)列已滿谭期，插入數(shù)據(jù)的操作會(huì)被阻塞堵第，直到隊(duì)列有空閑位置再插入。這個(gè)定義其實(shí)就是“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”隧出，使用阻塞隊(duì)列可以實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”踏志。
并發(fā)隊(duì)列
線程安全的隊(duì)列叫并發(fā)隊(duì)列。簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)是在出隊(duì)和入隊(duì)時(shí)加鎖胀瞪，但加鎖粒度大并發(fā)度會(huì)降低针余，同一時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)存或取操作。
以上內(nèi)容是對(duì)學(xué)習(xí)極客時(shí)間王爭(zhēng)出品的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法之美的總結(jié)凄诞，若感興趣可以去訂閱學(xué)習(xí)圆雁！
