嵌入式第二十三篇——数据结构基本概念

一、数据结构的定义

数据结构是计算机中存储、组织数据的方式,旨在实现高效的数据访问和修改。它包含数据元素之间的逻辑关系、物理存储方式以及相关操作。

二、数据结构的基本知识

1、线性数据结构

(1)数组:连续内存存储相同类型元素,支持随机访问。

(2)链表:通过指针链接的节点组成,分为单向链表、双向链表和循环链表。

(3)栈:后进先出(LIFO)结构,支持压栈(push)和弹栈(pop)操作。

(4)队列:先进先出(FIFO)结构,包含普通队列、双端队列和优先队列。

2、非线性数据结构

(1)树:层次结构,常见类型包括二叉树、二叉搜索树、AVL树和堆。

(2)图:由顶点和边组成,分为有向图和无向图,常用邻接矩阵或邻接表存储。

3、基本操作

(1)插入:添加新数据元素。

(2)删除:移除指定数据元素。

(3)查找:检索特定元素的位置或值。

(4)遍历:按顺序访问所有元素。

(5)排序:按特定规则重新排列元素。

4、时间复杂度

(1)定义

时间复杂度用于描述算法运行时间随输入规模增长的变化趋势,通常用大O符号(O)表示。它关注的是最坏情况下或平均情况下操作次数的增长率,而非具体运行时间。

(2)常见时间复杂度类型

O(1) 常数时间

算法的执行时间不随输入规模变化。例如访问数组元素、哈希表查询。

O(log n) 对数时间

执行时间与输入规模的对数成正比。例如二分查找、平衡二叉树的搜索。

O(n) 线性时间

执行时间与输入规模成线性关系。例如遍历数组、链表。

O(n log n) 线性对数时间

常见于高效排序算法,如快速排序、归并排序。

O(n²) 平方时间

通常出现在嵌套循环中,如冒泡排序、选择排序。

O(2ⁿ) 指数时间

常见于穷举算法,如解决某些递归问题(斐波那契数列的朴素递归实现)。

(3)时间复杂度的计算方法

规则1:忽略低阶项

例如,T(n) = 3n² + 2n + 1 的时间复杂度为 O(n²),仅保留最高阶项。

规则2:忽略常数系数

例如,T(n) = 5n³ 的时间复杂度为 O(n³)。

规则3:循环嵌套的乘法原则

单层循环的时间复杂度通常为 O(n),嵌套循环则为各层循环复杂度的乘积。例如:

python 复制代码
for i in range(n):       # O(n)
    for j in range(n):   # O(n)
        print(i, j)      # 总复杂度 O(n²)

(4)与其他复杂度概念的对比

空间复杂度

描述算法所需内存随输入规模的增长趋势,同样用大O表示法。例如,递归调用栈的空间复杂度可能为 O(n)。

平均情况与最坏情况

快速排序的平均时间复杂度为 O(n log n),但最坏情况下(如已排序数组)可能退化为 O(n²)。

复制代码
常见的时间复杂度所耗时间的大小排序
O(1)<O(logn)<O(N)<O(nlogn)<O(n^2)<O(n^3)<O(2^n)<O(n!)<O(n^n)
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