数据结构---概念、数据与数据之间的关系（逻辑结构、物理结构）、基本功能、数据结构内容、单向链表（该奶奶、对象、应用）

数据结构

在数据结构部分，研究数据在内存中如何存储。

数据存储的形式有两种：变量和数组（数据结构的顺序表）。

一、什么是数据结构？

数据类型被用来组织和存储数据。

程序设计 = 数据结构 + 算法

二、数据与数据之间的关系

1、逻辑结构

数据元素与元素之间的关系。

1）集合：元素与元素之间平等的集合关系。

2）线性结构：元素与元素之间存在一对一的关系(eg. 顺序表、链表、队列、栈)。

3）树形结构：元素与元素之间存在一对多的关系(eg. 二叉树)。

4）图形结构（网状结构）：元素与元素之间存在多对多的关系。

内存为线形存储结构。

2、物理结构

数据元素在计算机内存中的存储方式。

1）顺序结构：在内存中选用一段连续的内存空间进行存储。

特点：(1) 数据访问方便 (算法复杂度O(1) )。

(2) 插入和删除数据时需要移动大量数据。

(3) 需要域内存分配 (连续的) 。

(4) 可能造成大量内存碎片 (分为内内存碎片和外内存碎片两种 )。

|--------|--------------------------------------------------------|
| 内存碎片分类 | 内存碎片特点 |
| 内内存碎片 | 操作系统已分配给程序的内存中部分小内存空间不能再被使用，例如结构体数据类型存储时的中间空闲块 |
| 外内存碎片 | 内存中存在大量不连续的空闲块，因分散在内存的不同位置而不能合并成一块连续的大空间，导致程序无法被加载到内存中 |

2）链式结构：可以在内存中选用一段不连续的内存空间进行存储。

给内存元素后加上指针，指针指向元素访问下一个元素。

特点：(1) 数据访问必须从头遍历 (算法复杂度O(n) )；

(2) 插入和删除元素方便；

(3) 不需要与内存分配 (离散的)，是一种动态内存操作 (只要有部分内存空间能放下部分数据，直至存放完全部数据就行)。

3）索引结构：将要存储的数据的关键字和存储位置之间构建一个索引表。

4）散列结构（哈希结构）：将数据的存储位置与数据元素之间的关键字建立起对应的关系( 哈希函数 )。

索引结构与散列结构都用于快速定位数据。

三、基本功能

指针、结构体、动态内存分配。

四、数据结构内容

数据结构内容包含：顺序表、链式表（单向链表、双向链表、循环链表、内核链表）、栈、队列、二叉树、哈希表、常用算法。

五、单向链表

1、概念

单向链表是一种常见的线形数据结构，由多个节点组成，每个节点包含两部分：

1) 数据域：存储结点本身的信息（如数值、字符等）。

2) 指针域：存储下一个结点的地址，用于指向链表中的下一个结点。

示意图如下：

特点：整个链表的访问需从第一个结点开始，依次通过指针域找到下一个节点，最后一个结点的指针域为空指针(NULL)，单向链表无法访问前一个结点。

2、链表的对象

链表的对象是存储数据的对象。

链表对象的属性特征(变量)：第一个结点、结点的个数。

链表对象的行为(函数)：创建链表对象、插入数据、删除数据、修改数据、查找数据、销毁链表。

3、单项链表的应用

1）单向链表的封装

(1) 封装结点（存放在声明文件中）

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/*链表的结点类型*/
typedef struct node
{
    Data_type_t data;
    struct node *pnext;
}Node_t;

(2) 封装对象（存放在声明文件中）

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/*链表对象类型*/
typedef struct link
{
    Node_t *phead;
    int clen;
}Link_t;

(3) 创建单向链表函数封装

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/*创建单向链表*/
Link_t *create_link()
{
    Link_t *plink = malloc(sizeof(Link_t));
    if(NULL == plink)
    {
        printf("malloc error!\n");
        return NULL;
    }

    plink->phead = NULL;
    plink->clen = 0;

    return plink;
}

(4) 单向链表---头部插入数据函数封装

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/*向单向链表的头部插入数据*/
int insert_link_head(Link_t *plink, Data_type_t data)
{
    //申请结点
    Node_t *pnode = malloc(sizeof(Node_t));
    if(NULL == pnode)
    {
        printf("malloc error!");
        return -1;
    }
    //初始化结点
    pnode->data = data;
    pnode->pnext = NULL;


    //头插2步插入结点
    pnode->pnext = plink->phead;
    plink->phead = pnode;

    plink->clen++;
    return 0;
}

(5) 单向链表---遍历函数的封装

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//遍历
void link_for_each(Link_t *plink)
{
    Node_t *ptmp = plink->phead;
    while(ptmp != NULL)
    {
        printf("%d ", ptmp->data);
        ptmp = ptmp->pnext;
    }
    printf("\n");
}

(6) 单向链表---查找函数的封装

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//查找
Node_t *find_link(Link_t *plink, Data_type_t mydata)
{
    Node_t *ptmp = plink->phead;

    while(ptmp != NULL)
    {
        if(mydata == ptmp->data)
        {
            return ptmp;
        }
        ptmp = ptmp->pnext;
    }
    return NULL;
}

(7) 单向链表---遍历函数的封装

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//修改
int change_link(Link_t *plink, Data_type_t olddata, Data_type_t newdata)
{
    Node_t *ptmp = find_link(plink, olddata);
   if(ptmp != NULL)
   {
       ptmp->data = newdata;
       return 0;
   }
    return -1;
}

(8)单向链表---删除函数的封装（删除前需判断是不是空结点）

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/*是不是空结点*/
int is_empty_link(Link_t *plink)
{
    return NULL == plink->phead;
}

//删除
int delete_link_head(Link_t *plink)
{
    if(is_empty_link(plink))
    {
        return -1;
    }
    Node_t *ptmp;
    ptmp = plink->phead;
    plink->phead = ptmp->pnext;
    free(ptmp);

    plink->clen--;
    return 0;
}

(9) 上述代码在封装函数框需包含以下三种头文件，其中"link.h"是自己命名的声明文件，在后续内容中说明

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include"link.h"

2）单向链表的函数声明

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#ifndef _LINK_H
#define _LINK_H

/*链表存储的数据的数据类型*/
typedef int Data_type_t;

extern Link_t *create_link();
extern int insert_link_head(Link_t *plink, Data_type_t data);
extern void link_for_each(Link_t *plink);
extern Node_t *find_link(Link_t *plink, Data_type_t mydata);
extern int change_link(Link_t *plink, Data_type_t olddata, Data_type_t newdata);
extern int delete_link_head(Link_t *plink);

#endif

3）单向链表的上述函数在主函数中的运行格式

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#include<stdio.h>
#include"link.h"

int main(int argc, const char *argv[])
{
    Node_t *ret = NULL;
    Link_t *plink = create_link();
    if(NULL == plink)
    {
        return -1;
    }
    insert_link_head(plink, 1);
    insert_link_head(plink, 2);
    insert_link_head(plink, 3);
    insert_link_head(plink, 4);
    insert_link_head(plink, 5);
    link_for_each(plink);
    
    ret = find_link(plink, 4);
    if(ret == NULL)
    {
        printf("not found\n");
    }
    else
    {
        printf("found %d\n", ret->data);
    }
    change_link(plink, 4, 15);
    link_for_each(plink);

    delete_link_head(plink); 
    link_for_each(plink);
    return 0;
}

【END】