第一章：基本概念

什么是数据结构 ？

其实官方没有统一定义！！！

“数据结构是数据对象，以及存在于该对象的实例和组成实例的数据元素之间的各种联系。这种联系可以通过定义相关的函数给出。” - Sartaj Sahni 《数据结构、算法与应用》

“数据结构是ADT（抽象数据类型 Abstract Data Type）的物理实现。” - Clifford A.Shaffer 《数据结构与算法分析》

“数据结构（data structure）是计算机中存储、组织数据的方式。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来最优效率的算法。” - 中文维基百科

灵魂拷问之如何在书架上摆放图书？

我刚听到这个问题时，第一反应是我知道怎么摆放，就先分类，然后按名称顺序排呗！其实不是的，首先这个问题就不严谨，它没有明确说书架是什么样的，家里的书架能和图书馆的一样嘛！规模差很多的，自然摆放方式就会不同（下面我们考虑如何在图书馆里摆放书籍）。

其实有两个主要的操作（接下来方法的比较将从这两点出发）：

1、新书插入
2、找到某本指定书籍

方法 1：随便放

• 操作 1：新书插入
  哪里有空放哪里，一步到位！
• 操作 2：找到指定书籍
  …累死找不到

方法 2：按照书名的拼音字母顺序排放

• 操作 1：新书插入
  新进一本《啊Q正传》 …，完蛋，后面的全部移动一遍
• 操作 2：找到指定书籍
  二分查找

方法 3：先区域类别划分，然后按照书名顺序排放

• 操作 1：新书插入
  先定类别，二分查找确定位置，移出空位
• 操作 2：找到指定书籍
  先定类别，再二分查找

总结：其实书架可以当作是计算机中的存储，而插入规则可以看作是数据的组织方式，此时你应该对数据结构有一定了解了。

什么是算法 ？

算法是指对特定问题求解步骤的一种描述。
算法只是对问题求解方法的一种描述，它不依赖于任何一种语言，既可以用自然语言、程序设计语言（C、C++、Java、Python 等）描述，也可以用流程图、框图来表示。

在我们的生活中，算法无处不在。我们每天早上起来，刷牙、洗脸、吃早餐，都是算着时间，以免上班或上课迟到等。其实这些都是算法。

算法的特征

1. 有穷性：算法是由若干条指令组成的有穷序列，总是在执行若干次后结束，不可能永不停止。
2. 确定性：每条语句有确定的含义，无歧义。
3. 可行性：算法在当前环境条件下可以通过有限次运算实现。
4. 输入输出：有零个或多个输入，一个或多个输出。

“好”算法具有以下特征：

1. 正确性：指算法能够满足具体问题的需求，程序运行正常，无语法错误，能够通过典型的软件测试，达到预期的需求。
2. 易读性：算法遵循标识符命名规则，简洁易懂，注释语句恰当适量，方便自己和他人阅读，便于后期调试和修改。
3. 健壮性：对非法数据及操作有较好的反应和处理。
4. 高效性：指算法运行效率高，即算法运行所消耗的时间短。算法时间复杂度就是算法运行需要的时间。
5. 低存储性：指算法所需要的存储空间低。算法占用的空间大小称为空间复杂度。

除了 1-3 中的基本标准外，我们对好的算法的评判标准就是**高效率、低存储

算法复杂性

时间复杂度

算法运行需要的时间，一般将算法的执行次数作为时间复杂度的度量标准。

举个例子：

int sum = 0;                        // 运行1次
int total = 0;                      // 运行1次
for (int i = 1; i <= n; i++) {      // 运行n+1次
    sum += i;                       // 运行n次
    for (int j = 1; j <= n; j++) {  // 运行n*(n+1)次
        total += i*j;               // 运行n*n次
    }
}

把所有语句的运行次数加起来：$1+1+n+1+n+n\ast (n+1)+n\ast n$，可以用一个函数T(n)表达：
$$T(n)=2n^2+3n+3$$

当 n 足够大时，例如 $n=10^5$ 时，$T(n)=2\times 10^{10}+3\times 10^5+3$，我们可以看到算法运行时间主要取决于第一项，后面的甚至可以忽略不计。

注意：不是每个算法都能直接计算运行次数。有些算法，如排序、查找、插入等算法，可以分为最好、最坏和平均情况分别求算法渐近复杂度，但我们考查一个算法通常考查最坏的情况，而不是考查最好的情况，最坏情况对衡量算法的好坏具有实际的意义。

空间复杂度

算法占用的空间大小。一般将算法的辅助空间作为衡量空间复杂度的标准。

举个例子：

void swap(int x, int y) 
{
    int temp;
    temp = x;  // temp 为辅助空间
    x = y;
    y = temp;
}

趣味故事：一棋盘的麦子

有一个古老的传说，有一个国王的女儿不幸落水，水中有很多鳄鱼，国王情急之下下令：“谁能把公主救上来，就把女儿嫁给他。”很多人纷纷退让，一个勇敢的小伙子挺身而出，冒着生命危险把公主救了上来，国王一看是个穷小子，想要反悔，说：“除了女儿，你要什么都可以。”小伙子说：“好吧，我只要一棋盘的麦子。您在第 1 个格子里放一粒麦子，在第 2 个格子里放 2 粒，在第 3 个格子里放 4 粒，在第四个格子里放 8 粒，以此类推，每一个格子里的麦子粒数都是前一格的两倍。把这 64 个格子都放好了就行，我就要这么多。”国王听后哈哈大笑，觉得小伙子的要求很容易满足，满口答应。结果发现，把全国的麦子都拿来，也填不完这 64 格…国王无奈，只好把女儿嫁给了这个小伙子。（学好算法能娶到公主！！！）

解析：

棋盘上的 64 个格子究竟要放多少粒麦子？

$$S=1+2^1+2^2+2^3+...+2^{63}$$

转换一下

$$S=2^{64}-1$$

据专辑统计，每一麦粒的平均重量约 41.9 毫克，那么这些麦粒的总重量是：

$$18446744073709551615\times 41.9=772918576688430212668.5（毫克）\approx 7729（亿吨）$$

全世界人口按 60 亿计算，每人可以分到 128 吨！

我们称这样的函数为爆炸增量函数，想一想，如果算法时间复杂度是$O(2^n)$会怎样？随着 n 的增长，这个算法会不会“爆掉”？

常见的算法时间复杂度分类：

1. 常数阶：运行的次数是一个常数，如 5、20、100。常数阶算法时间复杂度通常用$O(1)$表示。
2. 多项式阶：很多算法时间复杂度是多项式，通常用$O(n)、O(n^2)、O(n^3)$等表示。
3. 指数阶：指数阶时间复杂度运行效率极差，程序员往往像躲“恶魔”一样避开它。常见的有$O(2^n)、O(n!)、O(n^n)$等。使用这样的算法要慎重，例如上面的趣味故事。
4. 对数阶：时间复杂度运行效率较高，常见的有$O(\log n)、O(n\log n)$等。

常见时间复杂度函数曲线如图：

从图中可以看出，指数阶增量随着x的增加而急剧增加，而对数阶增加缓慢。它们之间的关系为：

$$O(1)<O(\log n)<O(n)<O(n\log n)<O(n^2)<O(n^3)<O(2^n)<O(n!)<O(n^n)$$

我们在设计算法时要注意算法复杂度增量的问题，尽量避免爆炸级增量。

趣味故事：兔子序列（斐波那契数列）

$$f(n)\{\begin{array}{ll}1,& n=1\\ 1,& n=2\\ f(n-2)+f(n-1),& n>2\end{array}$$

递归实现：

#include <QCoreApplication>
#include <QTime>

#include <iostream>

using namespace std;

long double fib(int n) {
    long double temp;
    if (n < 1) {
        return -1;
    } else if (n == 1 || n == 2) {
        return 1;
    } else {
        return fib(n - 1) + fib(n - 2);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    int n = 0;
    cout << "Please input n:" << endl;
    cin >> n;

    QTime timer;
    timer.start();

    int fibn = fib(n);

    cout << "fibn:" << fibn << endl;
    cout << "total time:" << timer.elapsed() << endl;

    return a.exec();
}

但实际你自己输入试试后就会发现，效率十分低，因为它会重复计算很多，看一下 n=50 时候的时间。

看到这个时间，应该吓一跳吧。如果 n 再大一点的话更吓人！那我们就不使用递归了，换一种算法吧。

循环实现

long double fib(int n) {
    if (n < 1) {
        return -1;
    } else if (n == 1 || n == 2) {
        return 1;
    }

    int s1 = 1;
    int s2 = 1;
    
    for (int i = 3; i <= n; i++) {
        s2 = s1 + s2; // 辗转相加法
        s1 = s2 - s1; // 记录前一项
    }
   return s2;
}

我们使用了若干个辅助变量，迭代辗转相加，每次记录前一项，时间复杂度为$O(n)$，空间复杂度为$O(1)$，是不是比递归好太多了。是不是还有更好的算法呢？那肯定是有的，大家可以自行去研究一下。

数据结构与算法

瑞士著名的科学家 N.Wirth 教授曾提出：数据结构+算法=程序。

数据结构与算法之间存在着密切的关系。算法是一种解决问题的方法或步骤，它们通过操作数据结构来实现。算法可以实现各种功能，如插入、排序、搜索、图遍历等。不同的算法对于不同的问题具有不同的时间复杂度和空间复杂度。因此，选择合适的数据结构和算法对程序的性能至关重要。

数据结构与算法的重要性：

• 它们可以提高程序的执行效率。通过选择适当的数据结构和算法，我们可以降低时间和空间的消耗，减少程序的运行时间。这对于大规模数据处理和复杂应用程序来说尤为重要。

• 它们有助于提高代码的可读性和可维护性。良好的数据结构和算法设计可以使代码更加清晰和易于理解。这可以帮助开发人员更好地理解代码逻辑，减少出错的可能性，并且方便代码的维护和拓展。

• 数据结构与算法也是衡量编程能力的重要指标之一。熟练掌握数据结构与算法的知识和技巧，可以提高我们解决实际问题的能力，并且在面试和竞争中具备一定的优势。
  们可以提高程序的执行效率。通过选择适当的数据结构和算法，我们可以降低时间和空间的消耗，减少程序的运行时间。这对于大规模数据处理和复杂应用程序来说尤为重要。

• 它们有助于提高代码的可读性和可维护性。良好的数据结构和算法设计可以使代码更加清晰和易于理解。这可以帮助开发人员更好地理解代码逻辑，减少出错的可能性，并且方便代码的维护和拓展。

• 数据结构与算法也是衡量编程能力的重要指标之一。熟练掌握数据结构与算法的知识和技巧，可以提高我们解决实际问题的能力，并且在面试和竞争中具备一定的优势。