八大常见数据结构详解:数组、栈、队列、链表、树、图、堆与散列表

更新时间:2024-05-05 20:17:10   人气:8849
一、数组

数组是一种最基本的数据结构,它在内存中以线性方式存储元素。每个元素都有其唯一索引(通常从0开始),通过该索引来访问或修改相应位置的值。它的特性是支持随机存取和连续空间分配,在查询速度快且对顺序操作友好的场景下表现优秀。然而,插入删除等动态操作可能需要移动大量元素,时间复杂度较高。

二、栈

栈作为一种后进先出(LIFO)的数据结构,仅允许在一端进行添加或移除元素的操作,这一端被称为“顶”。入栈(Push)将新项压到栈顶;而出栈(Pop)则取出并返回最近一次进入但还未离开栈的元素。由于这种特性的限制,使得栈广泛应用于括号匹配检查、函数调用及回溯算法等各种场合。

三、队列

与栈相对的是队列,它是先进先出(FIFO)原则的数据结构。新增加的项目会被放置于尾部(Enqueue),而读取或者移除则是由头部出发(Dueue)。这样的机制使队列成为处理任务调度、消息传递以及广度优先搜索等问题的理想选择,因为它能保证最先到达的任务也最被首先服务。

四、链表

链表是由一系列节点构成的一种灵活数据结构,其中每一个节点包含两部分:一个是实际保存的数据,另一个是指向下一个节点的引用指针。相比于数组需预先知道所有元素大小的情况,链表可以随时增加或减少结点,并不局限于一块物理地址连续的空间内,因此对于频繁增删需求较大的情况更为高效。

五、树

树是一个分层非循环数据集合,包括一个根节点以及多个子节点组成层级关系。典型应用如BST(二叉查找树)、AVL(自平衡二叉查找树)、红黑树等等用于实现高效的检索功能,同时还有诸如哈夫曼编码中的 Huffman 树用来压缩数据,XML 和 HTML 的解析依赖 DOM 树来表示文档结构等。

六、图

图作为更抽象化的模型,描述了一组对象之间的多对多的关系网络。它可以是有方向或是无方向的边连接着若干个节点。广泛应用在网络路由问题解决、社交网络传播分析等领域。常见的两种基本类型为邻接矩阵和邻接表来进行内部表示。

七、堆

堆属于完全二元树性质的数据结构,分为最大堆和最小堆两类,它们满足父节点的关键字大于等于(小于等于)孩子关键字的原则。这使其特别适用于实现优先级队列和求解Top K 问题,同时也常出现在各类排序算法比如经典的 heapsort 中。

八、散列表/哈希表

散列表利用特定的映射规则——即所谓的哈希函数——把键转化为数组的一个索引从而直接定位对应的值,理想情况下能够达到近乎O(1)的时间复杂度完成插入、查找和删除操作。尽管存在碰撞冲突的可能性,但在合理设计负载因子并通过拉链法、开放寻址等方式有效解决的情况下,散列表依然是很多应用场景下的首选方案,例如数据库缓存系统的设计就离不开它。