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线性表

本章是后序内容的基础,可能会涉及到在选择题中的概念考察。除此外,需要能够手写代码实现基于数组或链表的相关操作。

学习思维导图:

# 线性表

## 线性表的基本概念

## 线性表的实现

- 顺序存储
- 链式存储

## 线性表的应用

1 - 定义和基本操作

线性表可分为顺序表和链表,本节讨论线性表的定义和操作。

线性表定义

线性表(Linear List)是 L 数据结构 中的一种基本结构。它是 零个或多个数据元素的有限序列。通常,线性表 中的 数据元素 之间是 有序的,它们之间存在着 前驱和后继的关系

$$L = (a_1, a_2, \cdots, a_i, a_{i+1}, \cdots, a_n)$$

特点:

  • 个数有限
  • 表中元素数据类型都相同,每个元素占有 相同大小的存储空间
  • 仅讨论 元素间的逻辑关系,表中元素有 先后顺序

顺序表和链表

线性表分为顺序存储结构(又称 顺序表)和链式存储结构(又称为 链表)。

顺序表中的元素存储地址是 连续的(存储在栈中),而链表的元素存储地址是 非连续的(存储在堆中),元素节点中除了存储数据元素之外还存储相邻元素的地址信息。顺序表中数据之间的 逻辑关系物理关系 是一致的,链表中数据元素的逻辑关系和物理关系并不一定一致。

1
2
3
4
5
1
3
2
顺序表
链表
5
4

上图中左边为顺序表,右边为链表。顺序表在内存中的地址是连续的,各个元素的下标之间是有规律可循的,通过一个已知下标的元素可以找到顺序表中任意一个其它元素。但是链式表中的元素在内存中的地址是不连续的,所以链式表中的每个元素除了要保存数据信息外,还要保存下一个元素的内存地址,以便形成线性关系。

操作

  • 初始化 (InitList): 创建一个 空的线性表
  • 插入 (Insert): 在 线性表指定位置 插入一个 新的元素
  • 删除 (Delete): 删除 线性表 中的 指定位置的元素
  • 查找 (LocateElem): 根据 给定的条件 查找 线性表 中的 元素
  • 获取元素 (GetElem): 获取 线性表指定位置的元素
  • 设置元素 (SetElem): 修改 线性表指定位置的元素
  • 长度 (Length): 返回 线性表 中的 元素数量
  • 判空 (IsEmpty): 判断 线性表 是否 为空
  • 清空 (ClearList): 清除 线性表 中的 所有元素
  • 遍历 (Traverse): 对 线性表 中的 每个元素 执行 某种操作

2 - 顺序表示

需熟练掌握顺序表的定义,并且能够用手写代码实现顺序表上的各种操作。

顺序表定义

顺序表(Sequential List) 是一种常见的数据结构,用于存储一组元素,并按照它们在内存中的物理顺序来排列和访问这些元素。顺序表通常由一个 数组列表 构成,其中每个元素都占据一个连续的内存位置,并且可以通过索引值来访问。

假设线性表 A 存储的其实位置为 LOC(A),每个元素占用的存储空间的大小为 sizeof(Elem),则 A 所对应的顺序存储结构为:

  • 顺序表 优点
    • 随机访问性强:顺序表支持通过索引直接访问元素,访问速度快,时间复杂度为 O(1)
    • 空间使用连续:顺序表中的元素存储在连续的内存块中,这有助于提高缓存的局部性,从而提高访问速度。
    • 操作简单:无需处理复杂的指针操作。
  • 顺序表 缺点
    • 固定大小或调整大小的开销:对于静态数组,大小是固定的,如果预分配的空间不足或过大,会导致内存浪费或数组溢出。动态数组可以重新分配大小,但这会增加时间和空间开销。
    • 插入和删除的时间开销:如果要在顺序表的中间插入或删除元素,可能需要移动大量的元素,时间复杂度为 O(n)

操作

数据结构定义

以下代码定义了一个顺序表 SeqList,它使用 固定大小的数组 data 来存储元素,length 记录当前表的长度。InitList 函数初始化顺序表,设置 长度为 0,表示空表。

#define MAXSIZE 100
typedef struct {
    ElementType data[MAXSIZE];
    int length;
} SeqList;

void InitList(SeqList *L) {
    L->length = 0;
}
顺序表 SeqList 数据结构结构体定义typedef struct {ElementType data[MAXSIZE];int length;} SeqList;MAXSIZE = 100初始化: L->length = 0内存布局data[MAXSIZE] 数组索引:...0123499length 长度字段0(初始值)初始化过程说明1定义顺序表结构:包含固定大小数组 data[MAXSIZE] 和长度字段 length2MAXSIZE = 100,表示数组最多可存储100个元素3InitList(L) 函数:将 length 设置为 0,表示当前表为空表4初始化后:数组预分配了空间,但 length=0 表示没有有效元素特点:• 固定大小:数组大小在编译时确定,不能动态改变• 顺序存储:元素在内存中连续存放初始化后 length = 0

插入

顺序表插入过程图解:在位置 3 插入元素 99步骤1:初始状态10203040501234567length = 5插入位置 pos=3步骤2:从尾部开始,向后移动元素102030405050移动102030404050移动102030304050移动步骤3:插入新元素并更新长度102099304050新元素 99length = 6关键要点:1. 检查插入位置合法性:1 ≤ pos ≤ length+12. 检查数组是否已满:length < MAXSIZE3. 从后往前移动元素,避免覆盖4. 循环:for (i = length; i ≥ pos; i--)5. 移动操作:data[i] = data[i-1]6. 插入新元素:data[pos-1] = e7. 更新长度:length++时间复杂度:O(n)

在第 pos 个位置 插入新元素 e。首先检查 插入位置合法性空间是否已满,然后从尾部向后移动元素,为插入留出位置,最后将元素插入并更新长度。

bool Insert(SeqList *L, int pos, ElementType e) {
    if (L->length == MAXSIZE || pos < 1 || pos > L->length + 1) {
        return false;
    }
    for (int i = L->length; i >= pos; i--) {
        L->data[i] = L->data[i - 1];
    }
    L->data[pos - 1] = e;
    L->length++;
    return true;
}

删除

顺序表删除操作 Delete(L, pos, e)删除前:10203040501234567pos = 3length = 5删除元素: *e = 30操作步骤:1. 保存要删除的元素: *e = L->data[pos-1] = L->data[2] = 302. 后续元素前移:1020被删除4050i=4: data[2]=data[3]i=5: data[3]=data[4]删除后:102040501234567length = 4删除成功: return true代码关键点:• 位置检查: if (pos < 1 || pos > L->length) return false;• 保存元素: *e = L->data[pos - 1]; // 数组下标从0开始• 前移操作: for (int i = pos; i < L->length; i++) L->data[i-1] = L->data[i];

删除第 pos 个元素,并通过指针返回删除的元素值。删除后将该位置后的所有元素 前移,最后更新长度。

bool Delete(SeqList *L, int pos, ElementType *e) {
    if (pos < 1 || pos > L->length) {
        return false;
    }
    *e = L->data[pos - 1];
    for (int i = pos; i < L->length; i++) {
        L->data[i - 1] = L->data[i];
    }
    L->length--;
    return true;
}

查找操作

在线性表中 顺序查找 第一个值等于 e 的元素,返回其逻辑位置(从 1 开始);若未找到,返回 0。

int LocateElem(SeqList L, ElementType e) {
    for (int i = 0; i < L.length; i++) {
        if (L.data[i] == e) {
            return i + 1;
        }
    }
    return 0;
}

获取元素

获取顺序表中第 pos 个元素,返回值通过指针 *e 输出。若位置非法则返回 false

bool GetElem(SeqList L, int pos, ElementType *e) {
    if (pos < 1 || pos > L.length) {
        return false;
    }
    *e = L.data[pos - 1];
    return true;
}

判空

判断顺序表是否为空,直接判断 length 是否为 0

bool IsEmpty(SeqList L) {
    return L.length == 0;
}

清空

清空顺序表,只需将 length 置 0,无需实际删除元素,等价于逻辑上的清空。

void ClearList(SeqList *L) {
    L->length = 0;
}

长度

返回当前顺序表的长度,即有效元素个数。

int Length(SeqList L) {
    return L.length;
}

3 - 链式表示

需熟练掌握链表的定义,并且能够用手写代码实现链表上的各种操作。

单链表定义

线性表的 链式表示 通常指的是使用 链表 来实现线性表。链表 是由一系列 结点 组成的,每个 结点 都包含一个 数据元素 和一个指向下一个 结点指针。这种结构允许我们 动态地插入删除元素,而不需要移动其他元素。

与顺序表不同,单链表中每个 结点 的存储空间都是 动态分配 的,即使用 c 语言中的 malloc() 函数或者 c++ 中的 new 操作符。
动态分配 的空间存储在 进程的堆 中,这些 结点 占用的存储空间不是连续的,而是离散的,如下图所示:

data
next

由于堆的这种 动态内存分配 特性,单链表 具备如下优点:

  • 链表大小可以动态变化:链表的 结点 是在需要时 动态分配 的,因此在使用过程中不需要提前分配固定大小的存储空间,可以随时 插入删除 结点
  • 插入和删除方便:只要知道了某个 结点 的位置,就可以在 O(1) 的时间复杂度内 插入删除结点。而顺序表可能需要移动大量的元素。
  • 无需预估数据大小:链表可以灵活地增长,而顺序表需要预先定义一个固定大小,或者使用 动态数组 实现,但重新分配和拷贝的开销可能会很大。

数组(顺序表)与 链表 不同,由于数组一般是直接作为函数的局部变量使用 int a[N] 定义的,所以数组存储在 进程的栈 中,数组中的相邻元素是 连续 地存储在栈上,如下图所示:

a[0]
a[1]
a[2]
a[3]
高地址
低地址
Stack
Heap
int a[4];
void f() {
}
· · ·

由于数组在内存中的存储是 连续 的,这有利于程序的 空间局部性,当访问一个元素时,相邻的元素也会被加载到 CPU 缓存 中,这提高了访问速度。
此外,通过数组的起始地址和一个偏移,我们可以快速地定位到某个数组元素在内存中的地址,实现 随机访问

相比而言,链表 则不具备以上特性,链表 的缺点如下:

  • 随机访问较慢链表 不支持直接通过索引进行 随机访问,必须从头部开始逐个遍历 结点,直到找到所需的 结点,所以访问 链表 中的元素需要 O(n) 的时间复杂度。
  • 空间开销较大:除了 数据元素 的存储外,每个 结点 还需要额外的空间存储一个 指针,这增加了 链表 的存储开销。

操作

链表 的操作经常考察,需要熟练掌握,并且能够手写代码。

数据结构定义

可以使用如下结构体来描述 单链表 中的 结点

// 链表定义
typedef struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
} Node;

其中结构体中包含两个元素,一个是 数据,另一个 指向下一个结点的指针
通过这种方式,链表 可以在内存中以非连续的方式存储数据,每个 结点 通过 指针 连接起来。

单链表结构示意图datanextNode 1data20nextNode 2data30nextNULLNode 3typedef struct Node {int data;// 存储数据struct Node *next;// 指向下一个节点} Node;特点说明:• 每个节点包含数据和指针两部分• 通过指针连接各个节点• 最后一个节点的指针指向NULL• 在内存中可以非连续存储head

在这个例子中,data 的类型是 int,意味着这个 链表 用于存储整数。但是,你可以根据需要更改 data 的类型,例如 floatchar 或者自定义的结构体类型,以存储不同类型的数据。

next 指针的作用是 连接链表中的各个结点。它存储了下一个结点的内存地址。通过 next 指针,我们可以从一个结点访问到下一个结点,从而遍历整个链表。

初始化链表

初始化 链表时我们需要为其创建一个 头结点,并将 头结点next 设置为空。

// 初始化
Node* init_linkedlist() {
    Node *head = (Node *)malloc(sizeof(Node));  // 创建头结点
    if (head == NULL) exit(1);  // 内存分配失败
    head->next = NULL;  // 初始为空链表
    return head;
}

头结点 的目的在于 简化空链表的处理统一链表的操作

  • 引入 头结点 后,即使链表为空,头指针 也始终指向 头结点
  • 通过引入 头结点,可以使链表的第一个 结点(实际数据 结点)的操作与其他 结点 的操作保持一致。

判空

如果 头指针next 为空的话,说明 单链表 为空:

bool is_empty(Node *head) {
    return head->next == NULL;
}

插入

p
q
p
q
n
p
q
n

对于在 链表 的一个 结点 p 之后插入一个新 结点 n 可以抽象如下操作:

void insert_node_after(Node *p, Node *n) {
    Node *q = p->next;
    n->next = q;
    p->next = n;
}
void insert_value_after(Node *n, int value) {
    Node *p = malloc(sizeof(Node));
    p->value = value;
    Node *q = n->next;
    n->next = p;
    p->next = q;
}

当然,如果我们想插入一个实际值 value 的话,你需要通过 Node *p = malloc(sizeof(Node)); p->data = value; 来创建一个新 结点,然后再将新创建的 结点 通过以上函数插入。

在实际考察 插入 操作的过程中,可能会涉及到三种情况:在 链表 头部插入、在 链表 尾部插入 或 在任意位置插入。

void insert_after_head(Node *head, int value) {
    // 调用上文定义的插入函数
    insert_value_after(head, value);
}
void insert_after_tail(Node *head, int value) {
    // 找到链表的尾部结点
    Node *tail = head;
    while (tail->next != NULL) {
        tail = tail->next;
    }
    // 在该位置插入
    insert_value_after(tail, value);
}
// 在链表的第 pos 个位置插入(位置从 0 开始计数),返回值 bool 表示插入是否成功
bool insert_at_pos(Node *head, int pos, int value) {
    Node *p = head;
    int i = 0;
    // 找到第 pos-1 个结点
    while (p && i < pos - 1) { 
        p = p->next;
        i++;
    }
    // 如果该位置不存在的话,返回 false
    if (!p || i > pos - 1) return false;

    insert_value_after(p, value);
    return true;
}

删除

假设指针 p 指向 链表 中的某个 结点,如果我们想删除 p 的下一个 结点 的话,可以通过如下代码:

void delete_node_after(Node *p) {
    Node *q = p->next;
    // 需要判断 q 是否存在
    if (q) {
        // 设置 p 的下一个结点跳过 q
        p->next = q->next;
        // 释放 q 的空间
        free(q);
    }
}
p
q
p
q
p
p→next ≠ NULL 时
p→next = q→next
free(q);

如果我们想删除 单链表 中的第 pos结点 的话,可以通过如下代码:

// 返回 true 表示删除成功,返回 false 表示删除失败。
bool delete(Node *head, int pos) {
    Node *p = head;
    int i = 0;
    while (p->next && i < pos - 1) {  // 找到第 pos-1 个结点
        p = p->next;
        i++;
    }
    // 如果 p 是链表中最后一个结点,或者 pos-1 的结点不存在的话,返回 false
    if (!(p->next) || i > pos - 1) return false;

    // 删除下一个结点
    Node *q = p->next;
    p->next = q->next;
    free(q);
    return true;
}

查找

如果要查找 链表 中是否有 结点 存储有 value 的值的话,可以通过如下函数:

// 返回 0 表示未找到
int Find(Node *head, int value) {
    Node *p = head->next;
    int i = 1;
    // 遍历链表判断是否有结点值域 value 相同
    while (p) {
        if (p->data == value) return i;
        p = p->next;
        i++;
    }
    return 0;
}

清空

清空 链表 需要删除 链表 中的每一个 结点,并且将 链表 设置为空,可以通过如下函数:

void ClearList(Node *head) {
    Node *p = head->next, *q;
    head->next = NULL;
    // 遍历每个结点,并且 free 结点
    while (p) {
        q = p->next; // 暂存下一个结点
        free(p);
        p = q;
    }
}

其他链式实现

双向链表

^
a1
a2
a3
prev
data
next
head
DNode

双向链表 中,每个节点包含三个部分:数据前驱指针 prev后继指针 next

typedef struct DNode {
    ElementType data;
    struct DNode *prev;  // 指向前驱节点
    struct DNode *next;  // 指向后继节点
} DNode;

双向链表 主要具备以下优势:

  • 可以 双向遍历,支持从任意节点向前或向后查找。
  • 插入和删除 某个节点时,不需要再查找其前一个节点(与单链表相比更方便)。

插入操作

假设插入 sp 前:

原来:
... ⟷ pre ⟷ p ⟷ ...

插入后:
... ⟷ pre ⟷ s ⟷ p ⟷ ...

具体操作步骤如下:

// 假设 p 是链表中的某个节点,s 是新建节点
s->prev = p->prev;      // 步骤①:新节点 s 的前驱是 p 的前驱
s->next = p;            // 步骤②:新节点 s 的后继是 p
p->prev->next = s;      // 步骤③:p 原前驱节点的 next 改为 s
p->prev = s;            // 步骤④:p 的前驱改为 s

删除操作

假设删除节点 p

... ⟷ prev ⟷ p ⟷ next ⟷ ...
        ↓ 删除 p
... ⟷ prev ⟷ next ⟷ ...

具体操作步骤如下:

p->prev->next = p->next;  // 步骤①:前驱的 next 指向 p 的后继
p->next->prev = p->prev;  // 步骤②:后继的 prev 指向 p 的前驱
free(p);                  // 步骤③:释放 p 节点

静态链表

2
b
6
a
1
d
-1
c
3
0
1
2
3
4
5
6
静态链表示例
a
b
c
d
^
对应的单链表

静态链表 实际上就是用 顺序表(一个结构体数组)来模拟 链表。结构体中包含两个元素:datanext,其中 data 存储数据,next 存储下一个元素的下标(相当于指针的作用):

#define MAXSIZE 100

typedef struct {
    ElementType data;
    int next;
} SNode;

SNode list[MAXSIZE];

静态链表 使用 next == -1 作为其结束的标志。静态链表 的各种操作和 动态链表 基本一致,只需要修改指针,不需要移动元素。

循环链表

循环链表(Circular Linked List)是一种特殊的 链表 结构,其 最后一个节点的指针指向头节点,使得整个 链表 形成一个 环状结构。因此,从任何一个节点开始遍历,只要不断沿着指针走,就一定会回到起点。

循环链表 可分为两种类型:

类型说明
单向循环链表每个节点只有一个 next 指针,最后一个节点的 next 指向头节点
双向循环链表每个节点有 prevnext,首尾相连,前后都可以循环遍历
a1
a2
an
head
a2
a1
a3
^
head
循环单链表
循环双链表