【C++数据结构】启航，打开新世界的大门！

一、学习数据结构的原因

学习数据结构对于计算机科学和软件开发非常重要，它提供了处理和组织数据的有效方法和技术。以下是几个学习数据结构的重要原因：

1. 提高问题解决能力： 数据结构教会了我们如何选择和使用适当的数据结构来解决问题。了解各种数据结构的特性和性能可以帮助我们分析和解决各种算法和编程问题。通过学习数据结构，我们可以开发更高效、更优化的算法来解决现实世界中的各种挑战。
2. 优化资源利用： 不同的数据结构具有不同的存储方式和操作特性。了解这些特性有助于我们选择最适合问题需求的数据结构，从而节省存储空间和提高运行效率。通过正确选择数据结构，我们可以降低算法的时间复杂度和空间复杂度，使程序更高效、更经济地利用计算资源。
3. 扩展和重用性： 学习数据结构可以帮助我们构建可扩展和可重用的代码。通过合理地组织数据，我们可以建立通用的数据结构和算法库，以便在不同的项目中重复使用。这样可以节省开发时间，提高代码质量，并促进团队合作和代码维护。
4. 面试和职业发展： 数据结构是计算机科学面试的重要领域之一。许多技术公司在面试中会测试候选人对数据结构的理解和应用能力。熟练掌握数据结构不仅有助于通过面试，还可以增加在职场中解决实际问题的能力，提高职业发展的机会。

现在来看一个生活中的例子 ：说明学习数据结构的实际应用。假设你是一名物流公司的调度员，负责处理货物的配送。你需要跟踪每个货物的位置和目的地，并根据最佳路线进行调度。在这种情况下，你可以使用数据结构来帮助管理这些信息。

二、一个值得思考的问题

现代的编程语言已经都自带数据结构了，那学习数据结构还有意义吗。

比如我们现在使用的C++、Java、Python都有数据结构，C++代表就是STL。

然而，学习数据结构仍然具有重要的意义，因为：

1、深入理解底层原理： 学习数据结构可以帮助你深入了解数据的组织方式和运作原理。你可以学习不同的数据结构如链表、栈、队列、树和图等，了解它们的实现方式以及它们在内存中的存储结构。这种深入理解可以让你更好地利用和优化现有的数据结构，解决实际问题时能够选择最适合的数据结构。

2、算法优化和性能提升： 数据结构和算法是紧密相关的。通过学习数据结构，你可以了解不同数据结构在不同场景下的优势和劣势，从而选择最适合的数据结构来解决特定的问题。掌握数据结构可以帮助你设计和实现更高效的算法，提升程序的执行速度和性能。

3、解决复杂问题： 一些复杂的问题可能无法直接通过现有的数据结构和操作来解决。通过学习数据结构的原理和实现方式，你可以更好地理解问题的本质，并设计出符合问题要求的自定义数据结构。这种能力在处理大规模数据、优化算法和解决特定领域的问题时至关重要。

4、扩大职业发展机会： 掌握数据结构是成为一名优秀程序员的关键要素之一。许多面试过程涉及数据结构和算法相关的问题。如果你对数据结构有很好的理解和实践经验，将能够在面试中展示出你的技术能力，提高你的竞争力和职业发展机会。

总之，尽管现代编程语言提供了许多内置的数据结构，但学习数据结构仍然对于成为一名优秀的程序员至关重要。它可以帮助你提高编程技能，深入理解底层原理，优化算法性能，并解决复杂的问题。无论是个人发展还是职业发展，掌握数据结构都是值得投入时间和精力的重要学习领域。

三、本专栏涉及到的知识/技术

面向对象技术

使用面向对象技术主要有下面的原因：

封装和抽象： 面向对象编程中的类和对象提供了封装和抽象的机制。利用这些机制，可以将数据结构的实现细节隐藏在类的内部，只暴露必要的接口给用户。这种封装和抽象的方式使得数据结构更容易被使用和维护，用户可以更加专注于数据结构的功能而不必关心其内部实现。

代码重用： 面向对象编程鼓励代码重用，通过继承和组合等机制，可以构建基于已有数据结构的新数据结构。例如，可以通过扩展现有的链表类来创建双向链表或循环链表等。这种代码重用的特性可以减少开发时间和代码量，并且使得数据结构的设计更具扩展性和灵活性。

多态性： C++支持多态性，使得可以通过基类的指针或引用来操作派生类的对象。这对于处理一组不同类型的数据结构非常有用，可以通过统一的接口实现对多个数据结构的操作和处理。例如，可以定义一个抽象的基类作为容器，然后派生出不同类型的数据结构，如数组、链表、栈等，通过多态性实现对它们的一致性操作。

运算符重载： C++允许对运算符进行重载，这在数据结构的操作中非常有用。通过重载运算符，可以使得对数据结构的操作和访问更加直观和方便。例如，可以重载"+“运算符来实现两个数组的合并，或者重载”[]"运算符来实现对链表节点的访问。

内存管理： C++提供了直接的内存管理能力，可以通过new和delete等操作符来手动管理对象的内存分配和释放。这对于数据结构的动态创建和销毁非常有用，例如在链表和树等数据结构中，可以根据需要动态地分配节点并在不使用时释放内存，从而节省内存空间。

总而言之，C++语言通过面向对象编程提供了封装、抽象、代码重用、多态性和运算符重载等特性，使得开发数据结构更加方便和高效。它允许开发人员通过类和对象来表示数据结构，隐藏内部实现细节，提供一致的接口，同时还具有灵活性和扩展性。因此，C++使用面向对象编程是一种更好的选择来开发数据结构。

模板技术

本数据结构是使用C++类模板来编写的

原因：类模板可以大大提高代码的灵活度。

我可以举下面这样的一个例子：

两数相加：

int add(int a,int b)
{
    return a+b;
}

如果我们没有使用模板技术，虽然也实现了功能，但是如果我想要他可以add两个double，char这样的类型他就不好弄了。

这时，我们可以请出我们的好帮手template模板

我们就可以把代码改成如下形式了：

template<typename T>
T add(T a,T b)
{
    return a+b;
}

我们使用下列测试代码：

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);
    cout << "add<int>(1,1045)=" << add<int>(1,1045) << endl;
    cout << "add<double>(77.88,78)=" << add<double>(77.88,78) << endl;
    cout << "add<char>('a',1)=" << add<char>('a',1) << endl;
    return a.exec();
}

运行之后效果如下：

这样操作之后，我们就可以复用我们的add函数，使他可以适用更多的场景了！

异常类技术

由于我们是需要写一个跨平台的数据结构，由于每个平台出错之后抛的异常都不是一样的，这就导致在不同平台可能会出现不同的结构，从而导致出现无法想象的后果！

简单的异常类：

首先我们先定义一个异常父类，两个子类，子类分别是下标IndexOutOf和内存不足NoEnoughMemoryException，他们都要继承父类，

从而实现多态。

class Exception
{
protected:
    const char *message;
    const char *location;
public:
    Exception(const char *m,const char *l)
    {
        message = strdup(m);
        location = strdup(l);
    }
    const char *Message()const
    {
        return message;
    }
    const char *Location()const
    {
        return location;
    }
};
class IndexOutOf:public Exception
{
public:
    IndexOutOf(const char *m,const char *l):Exception(m,l)
    {
    }
};
class NoEnoughMemoryException:public Exception
{
public:
    NoEnoughMemoryException(const char *m,const char *l):Exception(m,l)
    {
    }
};

定义一个宏用于便捷发送Exception

#define THROW_EXCEPTION(e, m) (throw e(m, __FILE__))

定义一个Myarr，用于演示IndexOutOf的状况：

//使用模板技术，模板1为类型，2为该数组元素个数
template <typename T,int N>
class Myarr
{
protected:
    T arr[N];
public:
    Myarr()
    {
        for(int i = 0;i<N;i++)
        {
            arr[i] = 0;
        }
    }
  /*实现下标操作符，用于访问数组arr*/
    T& operator [](int index)
    {
        if(index >= N || 0 > index)
        {
            THROW_EXCEPTION(IndexOutOf,"class Arr operator [] Index Out of...");
        }
        else
        {
            return arr[index];
        }
    }
};

主函数如下：

Myarr<int,10> arr;
    try
    {
        arr[9];
        cout << "i don`t have Exception!" << endl;
    }
    catch(const Exception &e)
    {
        cout << e.Message() << " " << e.Location() << endl;
    }

arr[10];运行结果

arr[9];运行结果

这只是一个演示，后面真正构建的时候会更复杂！！！，希望大家好好理解上面的代码