《数据结构》实验报告-实验一 线性结构及其应用
一、问题分析
题目要求收集两个班的学生成绩信息并按降序排列,其中每个学生的数据包括班级,学号和成绩信息,需要用一个结构体作为整体存储。并且数据是可以不断添加进来的,可以用两个线性表分别来存储两个班级的学生信息。但是如果用数组等顺序存储的方式来存储数据,每次存储一位学生的信息都要进行大量移动操作,并且学生数量未知,用顺序存储可能造成资源的浪费。这时利用链表的插入和删除操作时间复杂度仅为O(1)的良好特性,并且可以根据实际情况动态扩展内存,可以选择线性链表为存储结构。合并两个班级的学生信息,可以用链表的归并算法,因为两个链表都是有序的,归并的时间复杂度为O(n)。
二、详细设计
2.1 设计思想
1、选择线性链表做为存储结构。
每一个节点包含学生的三个信息信息和一个指向下一个节点的指针,节点与节点之间通过降序连接起来。每次要插入一个元素,先动态申请内存,遍历链表找到第一个不比它成绩值大的元素,在它前面插入该元素(要考虑插入位置为链表头和尾的特殊情况)。这样就可以按降序建立一个班级的链表,不用每次增加元素都要进行排序,十分方便。两个班级的链表分别用两个头指针管理,可以构造一个指针数组来存储这两个头指针,这样在不只是2个班级的情况下只需增加数组的大小即可。
2、链表的遍历
遍历时先判断是否为空表,如果不为空则用一个新指针指向第一个节点,通过节点与节点之间的联系便可以遍历链表。遍历链表时可以进行匹配学号操作,实现按照学号查询成绩和删除学生信息。也可以打印全部学生信息。
3、链表的合并和反转
运用归并算法进行两个有序链表的合并。分别用两个指针指向两个链表的头结点,大的就添加为一个新链表的节点,循环比较。这样就可以得到一个合并了两个班级信息的新链表。反转则利用两个指针,第一个指向合并后的新链表节点,第二个指向一个逆序建立链表的反转节点,先复制原合并链表指针指向节点的数据,让他指向反转指针指向的节点,再让反转指针指向这个新节点。循环后便可以O(n)的时间复杂度构建一个反转链表。
2.2 存储结构及操作
(1) 存储结构(一般为自定义的数据类型,比如单链表,栈等。)
链表节点结构体StudentLinkedListNode
内容包括ClassID(班级),StuID(学号),Grade(成绩,以上均为int类型),指向结构体StudentLinkedListNode的指针next。
(2) 涉及的操作(一般为自定义函数,可不写过程,但要注明该函数的含义。)
2.3 程序整体流程
整体流程:
核心算法流程:
(1)插入节点studentLinkedListAdd:
(2)遍历链表(查找,删除,查找)
searchByID
deleteByID
outputStudentLinkedList:
(3)合并链表
mergeLinkedList
(4)翻转链表
reverseLinkedList
三、用户手册
如:(1)输入数据的方式;(2)实现各种功能的操作方式等。
进入程序,首先会出现一个选择操作菜单。
1.insert 2.search by StuID 3.delete by StuID 4.merge 5.reverse 6.output 7.exit
输入上述之一的数字后回车即可进入相应的操作功能,退出程序请按7。
输入1将插入数据,程序会提示
How many rows of data do you need to input?
输入你本次要插入的学生信息总行数,如果输入行数小于1,将会提示输入的行数不能小于1,要求重新输入直到输入的行数大于0,会显示
input the %d row data format as:class_id,student_id,grade
请按顺序输入学生班级,学号和成绩,到遇到输入班级不是0或1、学号小于0和成绩小于0的异常输入,将会提示您重新输入,直到正确输入完要求输入的行数的数据后再次显示选择菜单。
特色:输入已存在于链表的学号(同一班级)时,会提示
学号为XXX的学生信息已存在,请重新输入:
验证数据:
输入
1,190110424,99
1,190110424,98
输出
学号为190110424的学生信息已存在,请重新输入:
输入2,进入按学号查找学生信息的功能,程序会提示
input the data format as: ClassID, StuID
按照指示依次输入班级和学号,如果输入的班级不是1或2,或者输入学号小于0,将直接输出未找到,否则,将进入所在班级表中进行查找,找到则输出该学生的信息,否则输出未找到。
输入3,进入按学号删除学生信息的功能,程序会提示
input the data format as: ClassID, StuID
按照指示依次输入班级和学号,如果输入的班级不是0或1,或者输入学号小于0,将直接输出未找到,否则,将进入所在班级表中进行查找,找到则删除该学生的信息,否则输出未找到。
输入4,将进入合并两个班级成绩的功能,无需输入,程序会按降序输出两个班级合并后学生成绩情况 ,其中既包含0班同学也包含1班同学,同时降序性不变。
输入5,将进入翻转合并两个班级的链表的功能,无需输入,如果之前未执行操作4的合并操作,程序将提示为空表,否则程序会按升序输出两个班级合并后学生成绩情况 ,即翻转了降序排列的合并链表。
输入6,将进入输出全部学生成绩的功能,程序将分别输出两个班各自的学习成绩情况,无需输入。
输入7,退出程序。
输入其他数字,都会提示
指令只能为1-7之间的某个整数值
整体特色:
在所有可以输入指令的地方输入非法字符,将提示:
输入的信息中含非法字符,请检查输入格式再请重新输入:
循环直到输入数据符合要求才会继续运行程序。
输入
,,。。
输出
输入的信息中含非法字符,请检查输入格式再请重新输入:
四、结果
程序正确运行的结果截图。
输入1,执行插入数据功能
输入2,按班级和学号查找学生信息
输入3,按照班级和学号删除学生信息功能
输入4,合并两个班级链表功能
输入5,翻转合并后链表的功能
输入6,按班级输出所有学生成绩
输入7退出程序
非法输入
五、总结
该实验涉及到的数据结构和算法,以及遇到的问题和收获。
这次实验是基于可以动态扩展的线性链表完成的。在按降序插入学生的成绩时,线性链表的延展性强,灵活性高的特点得以充分体现。如若采用静态存储的方式,将提高程序的时间复杂度,且资源的利用率比较低。利用线性链表,可以根据实际情况随时插入数据,并不干扰其他数据的位置。在建立了链表的基础上,删除,查找和输出操作都变得十分简单。同时利用归并算法,巧妙的合并了两个有序的链表,时间和空间的效率都很高。最后采用原地翻转的方式将链表翻转成新的链表,从降序变成升序,管理学生的成绩就变得很方便了。
但是,程序还是存在许多可以改进的地方。比如许多操作需要建立在其他操作已经完成的基础上才能输出,比如如果没有执行合并链表操作就不能执行翻转链表的操作。甚至没有执行过一次插入操作也不能进行查找和删除。虽然并不会导致程序崩溃(直接输出为空表或者没找到),但是会让用户体验变差。可以让用户在执行一个空操作时(链表为空),先转到让链表不为空的操作,先输入数据再执行其他操作,这样提示就可以让用户更加便捷的完成业务。
在设计程序的过程中,收获颇丰。首先是对异常输入的拦截,对于不是整型的非法输入,都进行了有效拦截,防止导致程序崩溃。同时在开发中也学会了如何在一个大框架内填充逻辑,运用所学的知识,将数据结构化成真正实用的工具,极大方便了针对任务的开发任务。在写完程序后,大部分时间都用在了实验报告的完善上,学会了怎样总结实验,利用流程图清楚表达实验过程,填写用户手册,真正完成了一个小项目。这让我对未来的学习充满了希望。