【软件设计师备考 专题 】数据结构深度解析:从数组到图

简介: 【软件设计师备考 专题 】数据结构深度解析:从数组到图

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1. 数组的定义、存储和操作

1.1 数组的定义

数组是一种线性数据结构,由相同类型的元素组成,这些元素在内存中是连续存储的。数组可以通过索引访问和操作其中的元素,索引从0开始,依次递增。

在C/C++中,数组的定义方式如下:

<数据类型> <数组名>[<数组大小>];

其中,数据类型表示数组中元素的类型,数组名是数组的标识符,数组大小表示数组中元素的个数。

1.2 数组的存储

数组在内存中是连续存储的,每个元素占据相同大小的内存空间。数组的存储可以采用两种方式:静态存储和动态存储。

1.2.1 静态存储

静态存储是指在编译时确定数组大小,并在程序运行前分配内存空间。静态存储的数组大小是固定的,无法在运行时改变。

在C/C++中,静态存储的数组可以在全局作用域或局部作用域中定义。全局作用域的静态数组在程序运行期间一直存在,而局部作用域的静态数组只在函数执行期间存在。

1.2.2 动态存储

动态存储是指在程序运行时根据需要动态分配内存空间。动态存储的数组大小可以在运行时通过动态内存分配函数进行调整。

在C/C++中,动态存储的数组可以使用new运算符进行内存分配,使用delete运算符释放内存。

<数据类型>* <数组名> = new <数据类型>[<数组大小>];

1.3 数组的操作

数组的操作包括访问元素、插入元素、删除元素和修改元素等操作。

1.3.1 访问元素

数组的元素可以通过索引来访问,索引从0开始,依次递增。访问数组元素的方式为:

<数组名>[<索引>]

1.3.2 插入元素

在数组中插入元素需要移动插入位置后面的元素,为新元素腾出空间。插入元素的方式为:

  1. 移动插入位置后面的元素,为新元素腾出空间;
  2. 将新元素插入到指定位置。

1.3.3 删除元素

在数组中删除元素需要将删除位置后面的元素向前移动,覆盖被删除的元素。删除元素的方式为:

  1. 将删除位置后面的元素向前移动,覆盖被删除的元素;
  2. 更新数组大小,使其不包含被删除的元素。

1.3.4 修改元素

数组中的元素可以通过索引进行修改操作,直接将新值赋给指定位置的元素即可。

以上是关于数组的定义、存储和操作的详细介绍。数组作为一种基本的数据结构,在软件设计师考试中是必备的知识点。通过对数组的深入理解和掌握,可以更好地应对相关考题。在接下来的章节中,我们将进一步介绍其他数据结构的知识点。


2. 队列和栈

2.1 队列的定义和基本操作

队列是一种先进先出(FIFO)的数据结构,类似于现实生活中的排队。在队列中,元素从队尾入队,从队头出队。

2.1.1 队列的定义

队列可以用数组或链表来实现。在C/C++中,可以使用数组和指针来实现队列。

2.1.2 队列的基本操作

  • 入队(enqueue):将元素插入到队尾。
  • 出队(dequeue):将队头元素移除并返回。
  • 判空(isEmpty):判断队列是否为空。
  • 判满(isFull):判断队列是否已满。
  • 获取队头元素(getFront):返回队头元素的值,但不将其移除。

下面是使用数组实现队列的示例代码:

#define MAX_SIZE 100
class Queue {
private:
    int data[MAX_SIZE];
    int front;
    int rear;
public:
    Queue() {
        front = -1;
        rear = -1;
    }
    
    bool isEmpty() {
        return front == -1 && rear == -1;
    }
    
    bool isFull() {
        return rear == MAX_SIZE - 1;
    }
    
    void enqueue(int value) {
        if (isFull()) {
            cout << "队列已满,无法入队!" << endl;
            return;
        }
        if (isEmpty()) {
            front = 0;
        }
        rear++;
        data[rear] = value;
    }
    
    int dequeue() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "队列为空,无法出队!" << endl;
            return -1;
        }
        int value = data[front];
        if (front == rear) {
            front = -1;
            rear = -1;
        } else {
            front++;
        }
        return value;
    }
    
    int getFront() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "队列为空!" << endl;
            return -1;
        }
        return data[front];
    }
};

2.2 栈的定义和基本操作

栈是一种后进先出(LIFO)的数据结构,类似于现实生活中的弹夹。在栈中,元素从栈顶入栈,从栈顶出栈。

2.2.1 栈的定义

栈可以用数组或链表来实现。在C/C++中,可以使用数组和指针来实现栈。

2.2.2 栈的基本操作

  • 入栈(push):将元素压入栈顶。
  • 出栈(pop):将栈顶元素弹出并返回。
  • 判空(isEmpty):判断栈是否为空。
  • 判满(isFull):判断栈是否已满。
  • 获取栈顶元素(getTop):返回栈顶元素的值,但不将其弹出。

下面是使用数组实现栈的示例代码:

#define MAX_SIZE 100
class Stack {
private:
    int data[MAX_SIZE];
    int top;
public:
    Stack() {
        top = -1;
    }
    
    bool isEmpty() {
        return top == -1;
    }
    
    bool isFull() {
        return top == MAX_SIZE - 1;
    }
    
    void push(int value) {
        if (isFull()) {
            cout << "栈已满,无法入栈!" << endl;
            return;
        }
        top++;
        data[top] = value;
    }
    
    int pop() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "栈为空,无法出栈!" << endl;
            return -1;
        }
        int value = data[top];
        top--;
        return value;
    }
    
    int getTop() {
        if (isEmpty()) {
            cout << "栈为空!" << endl;
            return -1;
        }
        return data[top];
    }
};

通过以上代码示例,我们可以看到队列和栈的实现方式以及基本操作。在实际应用中,队列和栈有着广泛的应用,例如任务调度、缓存、表达式求值等。掌握队列和栈的概念和基本操作,对于软件设计师考试中的相关题目解答非常有帮助。


3. 树的结构和遍历

树是一种非线性的数据结构,它由节点和边组成。在树中,每个节点可以有零个或多个子节点,而除了根节点外,每个子节点只能有一个父节点。树的结构和遍历是数据结构中的重要知识点,本章将详细介绍树的定义、遍历方式以及树的应用。

3.1 二叉树的定义和性质

二叉树是一种特殊的树结构,每个节点最多有两个子节点,分别称为左子节点和右子节点。二叉树的定义如下:

struct TreeNode {
    int val;
    TreeNode* left;
    TreeNode* right;
    TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

二叉树具有以下性质:

  • 性质1:二叉树的第i层最多有2^(i-1)个节点。
  • 性质2:深度为k的二叉树最多有2^k-1个节点。
  • 性质3:对于任意一棵二叉树,如果其叶子节点数为N0,度为2的节点数为N2,则N0 = N2 + 1。

3.2 二叉树的遍历方式(前序、中序、后序)

二叉树的遍历是指按照一定的顺序访问二叉树中的所有节点。常用的遍历方式有前序遍历、中序遍历和后序遍历。

3.2.1 前序遍历

前序遍历先访问根节点,然后按照先左后右的顺序遍历左子树和右子树。具体实现如下:

void preorderTraversal(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        return;
    }
    // 访问根节点
    cout << root->val << " ";
    // 遍历左子树
    preorderTraversal(root->left);
    // 遍历右子树
    preorderTraversal(root->right);
}

3.2.2 中序遍历

中序遍历先遍历左子树,然后访问根节点,最后遍历右子树。具体实现如下:

void inorderTraversal(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        return;
    }
    // 遍历左子树
    inorderTraversal(root->left);
    // 访问根节点
    cout << root->val << " ";
    // 遍历右子树
    inorderTraversal(root->right);
}

3.2.3 后序遍历

后序遍历先遍历左子树,然后遍历右子树,最后访问根节点。具体实现如下:

void postorderTraversal(TreeNode* root) {
    if (root == nullptr) {
        return;
    }
    // 遍历左子树
    postorderTraversal(root->left);
    // 遍历右子树
    postorderTraversal(root->right);
    // 访问根节点
    cout << root->val << " ";
}

3.3 树的应用:二叉搜索树和平衡二叉树

树作为一种常见的数据结构,有着广泛的应用。其中,二叉搜索树和平衡二叉树是树的两种常见应用。

3.3.1 二叉搜索树

二叉搜索树(Binary Search Tree,简称BST)是一种特殊的二叉树,它的每个节点的值都大于其左子树中的节点值,小于其右子树中的节点值。二叉搜索树的一个重要应用是实现快速查找。

3.3.2 平衡二叉树

平衡二叉树(Balanced Binary Tree)是一种特殊的二叉树,它的任意节点的左子树和右子树的高度差不超过1。平衡二叉树的一个重要应用是提高插入、删除和查找操作的效率。

通过对树的应用的介绍,我们可以看到树在实际开发中的重要性和应用场景。

本章介绍了树的结构和遍历方式,以及树的两种常见应用:二叉搜索树和平衡二叉树。通过综合代码示例和注释的方式,帮助读者更好地理解和掌握这些知识点。下一章将介绍图的基础知识,敬请期待。


4. 图的基础知识

4.1 图的定义和基本术语

图是一种非线性的数据结构,由节点(顶点)和连接节点的边组成。图可以用来表示各种实际问题,如社交网络、地图等。在图中,节点表示实体,边表示节点之间的关系。

图的基本术语如下:

  • 顶点(Vertex):图中的节点,也称为顶点。每个顶点可以有一个或多个边与之相连。
  • 边(Edge):连接两个顶点的线段,表示两个顶点之间的关系。
  • 有向图(Directed Graph):边有方向的图,表示顶点之间的关系是单向的。
  • 无向图(Undirected Graph):边没有方向的图,表示顶点之间的关系是双向的。
  • 权重(Weight):边上的数值,表示两个顶点之间的距离或代价。

4.2 图的存储方式:邻接矩阵和邻接表

图的存储方式有两种常见的方法:邻接矩阵和邻接表。

4.2.1 邻接矩阵

邻接矩阵是使用二维数组来表示图的连接关系。矩阵的行和列分别表示图中的顶点,矩阵元素表示顶点之间的边。如果两个顶点之间有边相连,则矩阵元素为1;否则为0。

邻接矩阵的优点是可以快速判断两个顶点之间是否有边相连,时间复杂度为O(1)。但是对于稀疏图(边相对较少)来说,邻接矩阵会浪费大量的存储空间。

4.2.2 邻接表

邻接表是使用链表来表示图的连接关系。每个顶点都对应一个链表,链表中的节点表示与该顶点相连的其他顶点。

邻接表的优点是可以有效地存储稀疏图,节省存储空间。同时,邻接表也方便遍历某个顶点的所有相邻顶点。

4.3 图的遍历:深度优先搜索和广度优先搜索

图的遍历是指从图中的某个顶点出发,按照一定规则遍历图中的所有顶点。

4.3.1 深度优先搜索(Depth First Search,DFS)

深度优先搜索是一种先深后广的遍历方式。从起始顶点开始,沿着一条路径一直走到底,直到不能再继续为止,然后回溯到前一个节点,继续探索其他路径。

深度优先搜索可以用递归或栈来实现。递归的实现方式比较简洁,但可能会导致堆栈溢出。使用栈的方式可以避免堆栈溢出的问题。

4.3.2 广度优先搜索(Breadth First Search,BFS)

广度优先搜索是一种先广后深的遍历方式。从起始顶点开始,先访问起始顶点的所有相邻顶点,然后再依次访问相邻顶点的相邻顶点,以此类推。

广度优先搜索可以用队列来实现。每次访问一个顶点时,将其所有未访问过的相邻顶点入队,直到队列为空为止。

4.4 图的应用:最短路径和最小生成树

图的应用非常广泛,其中两个重要的应用是最短路径和最小生成树。

最短路径算法用于在图中找到两个顶点之间的最短路径。常用的最短路径算法有迪杰斯特拉算法(Dijkstra Algorithm)和弗洛伊德算法(Floyd Algorithm)。

最小生成树算法用于在图中找到一棵包含所有顶点的树,并使得树的边权重之和最小。常用的最小生成树算法有普里姆算法(Prim Algorithm)和克鲁斯卡尔算法(Kruskal Algorithm)。

以上是图的基础知识的介绍,包括图的定义和基本术语、图的存储方式、图的遍历方式以及图的应用。掌握了这些知识,可以帮助软件设计师更好地理解和应用图相关的问题。


第五章:Hash的存储和冲突处理

5.1 Hash的概念和原理

Hash(散列)是一种常用的数据存储和查找技术,它通过将关键字映射为存储位置来实现快速的数据访问。在Hash的原理中,关键字通过Hash函数计算得到一个Hash值,然后将该值作为索引来访问存储位置。Hash函数的设计和Hash表的存储方式是Hash技术的关键。

5.1.1 Hash函数的设计

Hash函数的设计要求具备以下特点:

  • 映射范围广:关键字的分布应尽可能均匀,避免冲突。
  • 快速计算:Hash函数的计算速度应尽可能快,以提高数据访问效率。
  • 低冲突率:冲突是指两个或多个关键字映射到同一个存储位置的情况,冲突率应尽可能低。

5.1.2 Hash表的存储方式

常见的Hash表存储方式有两种:开放地址法和链地址法。

5.1.2.1 开放地址法

开放地址法是指当发生冲突时,通过依次探查其他空闲位置,直到找到一个空闲位置为止。常见的开放地址法有线性探测法、二次探测法和双重散列法。

5.1.2.2 链地址法

链地址法是指将所有关键字为同一个Hash值的元素存储在一个链表中。当发生冲突时,新的元素会被插入到对应链表的末尾。链地址法可以解决冲突问题,但需要额外的链表存储空间。

5.2 Hash的冲突处理方法

Hash冲突是指不同的关键字映射到相同的存储位置的情况,解决冲突是Hash技术中的重要问题。常见的冲突处理方法有开放地址法和链地址法。

5.2.1 开放地址法

开放地址法通过探查其他空闲位置来解决冲突。常见的开放地址法有以下几种:

方法 描述
线性探测法 当发生冲突时,依次检查下一个位置,直到找到一个空闲位置。
二次探测法 当发生冲突时,通过二次方程计算下一个位置,直到找到一个空闲位置。
双重散列法 当发生冲突时,通过第二个Hash函数计算下一个位置,直到找到一个空闲位置。

5.2.2 链地址法

链地址法将所有关键字为同一个Hash值的元素存储在一个链表中。当发生冲突时,新的元素会被插入到对应链表的末尾。链地址法可以有效地解决冲突问题,但需要额外的链表存储空间。

5.3 综合示例:Hash表的实现

以下是一个基于开放地址法的Hash表的示例代码,以C++语言为例:

#include <iostream>
#include <string>
const int TABLE_SIZE = 10;
class HashNode {
public:
    int key;
    std::string value;
    HashNode(int key, const std::string& value) : key(key), value(value) {}
};
class HashTable {
private:
    HashNode** table;
public:
    HashTable() {
        table = new HashNode*[TABLE_SIZE]();
    }
    ~HashTable() {
        for (int i = 0; i < TABLE_SIZE; i++) {
            if (table[i] != nullptr) {
                delete table[i];
            }
        }
        delete[] table;
    }
    int hashFunction(int key) {
        return key % TABLE_SIZE;
    }
    void insert(int key, const std::string& value) {
        int hashValue = hashFunction(key);
        while (table[hashValue] != nullptr) {
            hashValue = (hashValue + 1) % TABLE_SIZE;
        }
        table[hashValue] = new HashNode(key, value);
    }
    std::string search(int key) {
        int hashValue = hashFunction(key);
        while (table[hashValue] != nullptr && table[hashValue]->key != key) {
            hashValue = (hashValue + 1) % TABLE_SIZE;
        }
        if (table[hashValue] != nullptr && table[hashValue]->key == key) {
            return table[hashValue]->value;
        }
        return "";
    }
    void remove(int key) {
        int hashValue = hashFunction(key);
        while (table[hashValue] != nullptr && table[hashValue]->key != key) {
            hashValue = (hashValue + 1) % TABLE_SIZE;
        }
        if (table[hashValue] != nullptr && table[hashValue]->key == key) {
            delete table[hashValue];
            table[hashValue] = nullptr;
        }
    }
};
int main() {
    HashTable hashTable;
    hashTable.insert(1, "Alice");
    hashTable.insert(2, "Bob");
    hashTable.insert(11, "Charlie");
    std::cout << hashTable.search(1) << std::endl;  // Output: Alice
    std::cout << hashTable.search(2) << std::endl;  // Output: Bob
    std::cout << hashTable.search(3) << std::endl;  // Output: (empty)
    hashTable.remove(2);
    std::cout << hashTable.search(2) << std::endl;  // Output: (empty)
    return 0;
}

以上示例代码展示了一个基于开放地址法的Hash表的实现。通过Hash函数计算关键字的Hash值,并使用该值作为索引来访问存储位置。在发生冲突时,使用线性探测法逐个查找下一个空闲位置,并插入新的元素。通过search和remove方法,可以在Hash表中查找和删除元素。

通过本章的介绍,我们了解了Hash的概念和原理,以及常见的Hash表存储方式和冲突处理方法。同时,通过综合示例代码,我们展示了基于开放地址法的Hash表的实现。掌握了这些知识,可以在软件设计师考试中更好地理解和解答与Hash相关的考题。


结语

感谢你花时间阅读这篇博客,我希望你能从中获得有价值的信息和知识。记住,学习是一个持续的过程,每一篇文章都是你知识体系的一部分,无论主题是什么,都是为了帮助你更好地理解和掌握软件设计的各个方面。

如果你觉得这篇文章对你有所帮助,那么请不要忘记收藏和点赞,这将是对我们最大的支持。同时,我们也非常欢迎你在评论区分享你的学习经验和心得,你的经验可能会对其他正在学习的读者有所帮助。

无论你是正在准备软件设计师资格考试,还是在寻求提升自己的技能,我们都在这里支持你。我期待你在软件设计师的道路上取得成功,无论你的目标是什么,我都在这里支持你。

再次感谢你的阅读,期待你的点赞和评论,祝你学习顺利,未来充满可能!

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