現(xiàn)在大部分高級(jí)編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)都會(huì)提供幾種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，諸如線性表奋献、鏈表健霹、棧、隊(duì)列瓶蚂、哈希表等等糖埋，可以滿足日常開(kāi)發(fā)中的大部分需求，開(kāi)發(fā)人員只要調(diào)用接口就行了窃这。這導(dǎo)致有一些半路出家的程序員覺(jué)得學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有必要瞳别，更有甚者，不僅自身滿足于成為一個(gè)API Caller杭攻，還對(duì)外大肆宣揚(yáng)底層無(wú)用論祟敛，誤導(dǎo)了一些心存迷茫的初學(xué)者。
其實(shí)哪怕從實(shí)用的角度講兆解，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是非常必要的馆铁。至少了解每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，對(duì)于其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景做到心中有數(shù)锅睛，在使用的時(shí)候才能得心應(yīng)手埠巨。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，我們知道線性表中的元素在空間上是連續(xù)的现拒，對(duì)其進(jìn)行查找操作十分方便辣垒，但若是要進(jìn)行插入和刪除操作，則需要移動(dòng)其中的元素印蔬，在數(shù)據(jù)量非常大的時(shí)候效率并不高勋桶；相反，鏈表中的元素是通過(guò)指針相連扛点，在空間上并不連續(xù)哥遮，查找的時(shí)候需要從首元素開(kāi)始通過(guò)指針進(jìn)行，效率并不高陵究，但在插入和刪除時(shí)眠饮，只需要改變目標(biāo)位置的指針即可，并不需要移動(dòng)元素铜邮。所以對(duì)于只需要查詢或修改操作的數(shù)據(jù)當(dāng)然是使用線性表為好仪召，而對(duì)于需要進(jìn)行大量增刪操作的數(shù)據(jù)寨蹋，則使用鏈表為宜，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇權(quán)衡扔茅。若是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一無(wú)所知已旧，那寫(xiě)出的代碼質(zhì)量著實(shí)令人堪憂。出來(lái)混召娜，遲早是要還的运褪。
在我的理解中，編程玖瘸，其實(shí)就是個(gè)建模+實(shí)現(xiàn)的過(guò)程〗斩铮現(xiàn)在最主流的編程范式是FP（函數(shù)式編程）和OOP（面向?qū)ο缶幊蹋?dāng)然最流行的還是OOP雅倒，鼓吹的人非常多璃诀，說(shuō)得神乎其神，搞得很多初學(xué)者云里霧里蔑匣，油然而生一股不明覺(jué)厲之情劣欢，忍不住就要頂禮膜拜，我當(dāng)初也是如此裁良，想來(lái)真是不勝唏噓凿将。其實(shí)FP和OOP最根本的區(qū)別在于建模的角度不同，F(xiàn)P是要把現(xiàn)實(shí)問(wèn)題抽象成數(shù)學(xué)模型趴久，只有代入丸相，沒(méi)有賦值，具有引用透明性（簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是同樣的輸入會(huì)產(chǎn)生同樣的結(jié)果）彼棍，不產(chǎn)生副作用（副作用主要指改變系統(tǒng)狀態(tài)）灭忠。與之相對(duì)的是命令式編程范式，廣泛采用賦值座硕，用數(shù)據(jù)的變化來(lái)模擬真實(shí)世界的狀態(tài)變化弛作。OOP是命令式編程的一種，它直觀地將現(xiàn)實(shí)中的事物抽象成對(duì)象模型华匾，對(duì)象具有內(nèi)部狀態(tài)和特定行為映琳。
市面上的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中都有類(class)的概念，類內(nèi)部封裝了一些屬性（有些語(yǔ)言沒(méi)有屬性蜘拉，只有字段）和方法萨西。但是類究竟是什么呢？它其實(shí)就是一種數(shù)據(jù)類型旭旭，而一般我們所說(shuō)的接口(interface)谎脯，便相當(dāng)于抽象數(shù)據(jù)類型（Abstract Data Type， ADT）持寄。數(shù)據(jù)類型源梭、抽象數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聽(tīng)著有點(diǎn)像娱俺，但它們還是不一樣的：
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：用來(lái)反映一個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)部構(gòu)成，即一個(gè)數(shù)據(jù)由哪些成分?jǐn)?shù)據(jù)構(gòu)成废麻，以什么方式構(gòu)成荠卷，呈什么結(jié)構(gòu)。邏輯上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映成分?jǐn)?shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系烛愧，物理上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映成分?jǐn)?shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)安排油宜。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)存在的形式。
- 數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)按照進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類屑彻，具有相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)屬同一類验庙。同一類數(shù)據(jù)的全體稱為數(shù)據(jù)類型。
- 抽象數(shù)據(jù)類型：一個(gè)數(shù)學(xué)模型以及定義在此數(shù)學(xué)模型上的一組操作社牲。可理解為數(shù)據(jù)類型的進(jìn)一步抽象悴了。即把數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)類型上的運(yùn)算封裝在一起搏恤。
我們口中常說(shuō)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其實(shí)大部分時(shí)候都是指抽象數(shù)據(jù)類型湃交，比如我們說(shuō)到棧(Stack)的時(shí)候熟空，是指一種具有push和pop操作，數(shù)據(jù)遵循先進(jìn)后出順序的ADT搞莺。所以我們當(dāng)然可以定義一個(gè)叫Stack的類息罗，去實(shí)現(xiàn)push和pop操作，無(wú)論具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)是怎樣的才沧，它都可以稱為棧迈喉。而我們實(shí)例化一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，便是申請(qǐng)了一塊內(nèi)存空間温圆，里面保存了：
- 類中定義的一些基本數(shù)據(jù)類型(或者其他值類型)的拷貝
- 指向函數(shù)（或稱方法）和其他對(duì)象的指針
上面兩點(diǎn)說(shuō)的都是類中定義的成員變量和成員方法挨摸，具體的實(shí)現(xiàn)不同的語(yǔ)言會(huì)有些差別。至于靜態(tài)變量和靜態(tài)方法跟對(duì)象并沒(méi)有關(guān)系岁歉，它們其實(shí)相當(dāng)于是全局的得运，類名只是起到了命名空間的作用。
說(shuō)了這么多锅移，順便也說(shuō)說(shuō)Swift中的類型吧熔掺，Swift中的class、struct非剃、enum置逻、closure都是數(shù)據(jù)類型，至于協(xié)議protocol就是抽象數(shù)據(jù)類型了努潘。一個(gè)protocol定義一組數(shù)據(jù)和操作诽偷，可以被class坤学、struct、enum實(shí)現(xiàn)报慕。至于集合類型深浮，Swift中原生的有三種——Array、Set和Dictionary眠冈，平常開(kāi)發(fā)基本已經(jīng)夠用了飞苇，但是如果我們想要實(shí)現(xiàn)諸如Stack、Queue這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)蜗顽，也是非常方便的：
//棧
struct Stack<T> {
var items = [T]()
//棧頂指針
var top: Int {
return items.count - 1
}
var isEmpty: Bool {
return items.isEmpty
}
//加上mutating才能改變struct中的屬性
//因?yàn)閟truct是值類型布卡，默認(rèn)是不可變的
mutating func push(item: T) {
items.append(item)
}
mutating func pop() -> T {
return items.removeLast()
}
}
//隊(duì)列
struct Queue<T> {
var items = [T]()
//入隊(duì)
mutating func enqueue(item: T) {
items.append(item)
}
mutating func dequeue(item: T) -> T {
return items.removeFirst()
}
}
這里我使用了范型，這樣Stack和Queue中的元素就可以為任意類型雇盖，而且保證了類型安全,譬如
var intStack = Stack<Int>()
intStack.push(1)
intStack.push(2)
let topElement = intStack.pop() //topElement = 2
var stringQueue = Queue<String>()
stringQueue.enqueue("Swift")
stringQueue.enqueue("C#")
let str= stringQueue.dequeue() //str = "Swift"
Swift不直接支持指針忿等，但是class是引用類型，對(duì)于實(shí)現(xiàn)鏈表崔挖、二叉樹(shù)這樣的基于指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)贸街，也夠用了。下面是鏈表的Swift實(shí)現(xiàn)：
//節(jié)點(diǎn)(只能用class狸相，struct不支持類型嵌套薛匪，也就是Node<T>內(nèi)部不能聲明類型為Node<T>的屬性)
class Node<T: Equatable> {
var value: T?
var next: Node<T>!
var prev: Node<T>!
init(value: T?) {
self.value = value
}
}
//帶哨兵(nilNode)的鏈表，沒(méi)有head和tail
class LinkedList<T: Equatable> {
var nilNode: Node<T>
init() {
nilNode = Node<T>(value: nil)
nilNode.next = nilNode
nilNode.prev = nilNode
}
//線性搜索
func search(value: T) -> Node<T> {
var node = nilNode.next
//node.value為空則說(shuō)明node是nilNode脓鹃，因?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)的value都由值
while let v = node.value {
if v != value {
node = node.next
} else {
break
}
}
return node
}
//插入到nilNode之后
func insert(value: T) {
let node = Node<T>(value: value)
node.next = nilNode.next
nilNode.next.prev = node
nilNode.next = node
node.prev = nilNode
}
func delete(value: T) {
let node = search(value)
assert(node.value != nil, "Value not found in LinkedList.")
node.prev.next = node.next
node.next.prev = node.prev
}
}
二叉樹(shù)的三種遍歷方式：
class Tree<T: Equatable> {
var value: T
var leftChild: Tree<T>!
var rightChild: Tree<T>!
init(value: T) {
self.value = value
}
}
//樹(shù)中序遍歷
func inorderTreeWalk<T>(tree: Tree<T>?) {
guard let node = tree else {
return
}
inorderTreeWalk(node.leftChild)
print(node.value)
inorderTreeWalk(node.rightChild)
}
//前序
func preorderTreeWalk<T>(tree: Tree<T>?) {
guard let node = tree else {
return
}
print(node.value)
preorderTreeWalk(node.leftChild)
preorderTreeWalk(node.rightChild)
}
//后序
func postorderTreeWalk<T>(tree: Tree<T>?) {
guard let node = tree else {
return
}
postorderTreeWalk(node.leftChild)
postorderTreeWalk(node.rightChild)
print(node.value)
}
以Int類型為鍵的哈希表：
struct Element<T: Equatable>: Equatable {
var key: Int?
var value: T?
init(key: Int?, value: T?) {
self.key = key
self.value = value
}
}
func ==<T>(lhs: Element<T>, rhs: Element<T>) -> Bool {
return lhs.key == rhs.key && lhs.value == rhs.value
}
//哈希表
struct HashTable<T: Equatable> {
typealias E = Element<T>
var size: Int
var memory : [LinkedList<E>?]
init(size: Int) {
self.size = size
memory = [LinkedList<E>?](count: size, repeatedValue: nil)
}
//假定關(guān)鍵字都是Int
func hash(key: Int) -> Int {
return key % size
}
subscript(key: Int) -> T? {
get {
guard let linkedList = memory[hash(key)] else {
return nil
}
let element = Element<T>(key: key, value: nil)
return linkedList.search(element).value?.value
}
set {
let element = Element<T>(key: key, value: newValue)
let linkedList = memory[hash(key)] ?? LinkedList<E>()
linkedList.insert(element)
memory[hash(key)] = linkedList
}
}
// mutating func insert(key: Int, value: T) {
// memory[hash(key)] = value
// }
}
這段哈希表代碼有一些需要說(shuō)明的地方：
- 對(duì)于存入哈希表中的元素逸尖，我定義了一個(gè)
Element類型，它實(shí)現(xiàn)了Equatable協(xié)議瘸右，表明是可判等的娇跟，然后再重載==操作符，就可以用==符號(hào)來(lái)對(duì)兩個(gè)Element類型的實(shí)例進(jìn)行比較了尊浓。同時(shí)也使用了范型逞频，范型類型也必須是實(shí)現(xiàn)了Equatable協(xié)議的類型，譬如Element<Int>栋齿、Element<String>都可以苗胀。 - 在哈希表中我使用了一個(gè)最簡(jiǎn)單的哈希函數(shù)，就是一個(gè)取模操作瓦堵。對(duì)于碰撞沖突(不同的key值經(jīng)過(guò)
hash函數(shù)處理后返回了相同的地址)的處理我使用了鏈接法基协，也就是說(shuō)哈希表的每個(gè)槽都保存了一個(gè)鏈表，多個(gè)值被哈希到同一個(gè)地址的話就都保存在鏈表中菇用。碰撞處理還可以使用開(kāi)放尋址法澜驮，就是一旦哈希到相同的地址就用不同的哈希函數(shù)再進(jìn)行哈希，直到找到一個(gè)空的地址惋鸥，不過(guò)在實(shí)踐中使用得較少杂穷，一般還是使用鏈接法悍缠。 - 自定義下標(biāo)，可以通過(guò)下標(biāo)直接操作哈希表：
var hashTable = HashTable<Int>(size: 10)
hashTable[1] = 20
let value1 = hashTable[1] //value1 = 20
let value2 = hashTable[33] //value2 = nil
上次我寫(xiě)快排的時(shí)候提到過(guò)耐量，除了快排之外飞蚓，還有兩種算法的時(shí)間復(fù)雜度也是O(nlgn)，就是歸并排序和堆排序廊蜒。雖然在實(shí)踐中趴拧，快排和歸并排序的效果更好些，大部分語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供的sort函數(shù)也是使用這兩種算法或其中一種山叮。但是堆排序中構(gòu)建的堆卻是一種非常實(shí)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)著榴，這個(gè)堆不是垃圾回收機(jī)制(GC)中的堆，而是一種完全二叉樹(shù)屁倔。它不僅可以用在堆排中脑又，還可以用來(lái)構(gòu)造一種有效的優(yōu)先隊(duì)列。先看看堆排吧汰现，我同樣用Swift實(shí)現(xiàn)了一下：
//二叉堆基本操作
func parent(index: Int) -> Int {
return (index - 1) / 2
}
func leftChild(index: Int) -> Int {
return 2 * index + 1
}
func rightChild(index: Int) -> Int {
return 2 * index + 2
}
var heapSize = 0
//維護(hù)最大堆性質(zhì)
func maxHeapity(inout maxHeap: [Int], index: Int) {
let left = leftChild(index)
let right = rightChild(index)
//在index挂谍，left，right三者中取最大值
var largest = (left < heapSize && maxHeap[left] > maxHeap[index]) ? left : index
largest = (right < heapSize && maxHeap[right] > maxHeap[largest]) ? right : largest
if largest != index {
(maxHeap[index], maxHeap[largest]) = (maxHeap[largest], maxHeap[index])
maxHeapity(&maxHeap, index: largest)
}
}
//建堆
func buildMaxHeap(inout list: [Int]) {
heapSize = list.count
var index = list.count/2 - 1
//index+1...endIndex都是葉子節(jié)點(diǎn)
while index >= 0 {
maxHeapity(&list, index: index--)
}
}
//堆排序
func heapSort(inout list: [Int]) {
buildMaxHeap(&list)
var endIndex = heapSize - 1
while endIndex > 0 {
//將最大元素?fù)Q到底部
(list[0], list[endIndex--]) = (list[endIndex], list[0])
//將底部元素從堆中移除
heapSize--
//重新維持最大堆性質(zhì)
maxHeapity(&list, index: 0)
}
}
//test
var testList = [27, 999, 77, 5, 90, 63, 11, 8]
heapSort(&testList)
這里我構(gòu)建了一個(gè)最大堆瞎饲，最大堆的性質(zhì)就一條：maxHeap[parent(i)] >= maxHeap[i]，也就是說(shuō)父節(jié)點(diǎn)不小于孩子節(jié)點(diǎn)炼绘；同理嗅战，最小堆的性質(zhì)是minHeap[parent(i)] <= minHeap[i]。
優(yōu)先隊(duì)列是一種用來(lái)維護(hù)一組含關(guān)鍵字(用key表示)的元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)俺亮。一個(gè)最大優(yōu)先隊(duì)列支持以下操作：
- insert(element)：插入一個(gè)元素element
- maximum：返回具有最大關(guān)鍵字的元素
- extract-max：去掉并返回最大關(guān)鍵的元素
- increase-key(element, k)：將元素element的關(guān)鍵字增加到k驮捍，k >= element.key
最大優(yōu)先隊(duì)列的應(yīng)用很多，譬如系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度脚曾，最大優(yōu)先隊(duì)列記錄并維護(hù)將要執(zhí)行的各個(gè)任務(wù)以及它們之間的相對(duì)優(yōu)先級(jí)东且，當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成或中斷后，調(diào)度器調(diào)用extract-max從所有的等待任務(wù)中選出具有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行本讥。在任何時(shí)候珊泳，調(diào)度器都可以調(diào)用insert把一個(gè)新任務(wù)加入隊(duì)列。
最小優(yōu)先隊(duì)列支持的操作包括insert拷沸、minimum色查、extract-min和decrease-key。最小優(yōu)先隊(duì)列可以被用于基于事件驅(qū)動(dòng)的模擬器撞芍。隊(duì)列中保存事件秧了，每個(gè)事件都有一個(gè)發(fā)生時(shí)間作為其關(guān)鍵字key。事件按照時(shí)間順序進(jìn)行序无，每次調(diào)用extract-min返回隊(duì)列中具有最小時(shí)間的事件验毡。新事件產(chǎn)生時(shí)衡创，模擬器調(diào)用insert進(jìn)行插入。
顯然優(yōu)先隊(duì)列可以用堆輕易實(shí)現(xiàn)晶通，而且十分高效璃氢。我就不給出代碼了，好困好想睡覺(jué)录择。拔莱。。
IT界每天都有新技術(shù)出現(xiàn)隘竭，但其實(shí)很多東西都換湯不換藥塘秦，都是在炒冷飯，我們不應(yīng)該被種種表象迷惑而疲于奔命动看。打好基礎(chǔ)尊剔，慢慢地就會(huì)摸到整個(gè)體系的脈絡(luò)，去蕪存菁菱皆，才能在這不進(jìn)則退的信息化浪潮中安然立世须误。
