I. Die Bedeutung von Datenstrukturen und Algorithmen
1.1 Definition von Datenstruktur und Algorithmus
Datenstrukturen sind, wie der Name schon sagt, Strukturen zum Speichern und Organisieren von Daten. Mit ihnen lassen sich effiziente Datenzugriffe und -manipulationen realisieren. Zu den gängigen Datenstrukturen gehören Arrays, verknüpfte Listen, Stapel, Warteschlangen, Hash-Tabellen, Bäume und Diagramme.
Ein Algorithmus ist eine Reihe von Arbeitsschritten, die zur Lösung eines bestimmten Problems festgelegt werden. Es kann verwendet werden, um Operationen an Datenstrukturen wie Sortieren, Suchen, Einfügen und Löschen usw. durchzuführen.
1.2 Warum brauchen wir Datenstrukturen und Algorithmen?
Datenstrukturen und Algorithmen sind die Eckpfeiler der Programmierung. Die Auswahl der richtigen Datenstrukturen und Algorithmen kann die Effizienz eines Programms erheblich verbessern. In Szenarien, in denen Elemente häufig nachgeschlagen werden müssen, kann die Verwendung einer Hash-Tabelle beispielsweise effizienter sein als die Verwendung eines Arrays. Für Szenarien, die häufige Einfüge- und Löschvorgänge erfordern, ist eine verknüpfte Liste möglicherweise die bessere Wahl.
Darüber hinaus handelt es sich bei vielen Problemen im Wesentlichen um Datenstruktur- und Algorithmusprobleme. Beispielsweise kann das Netzwerk-Routing-Problem als das Problem angesehen werden, den kürzesten Weg im Diagramm zu finden, und dies erfordert die Verwendung relevanter Kenntnisse des Diagramms und der Suchalgorithmen.
II. Grundlegende Datenstruktur
2.1 Arrays
Ein Array ist eine grundlegende Datenstruktur, die Daten desselben Typs zusammenhängend im Speicher speichert. Der Hauptvorteil von Arrays ist der schnelle Zugriff auf Elemente durch Indizierung. Allerdings ist die Größe des Arrays fest und Elemente können nicht dynamisch hinzugefügt oder entfernt werden.
2.2 Verknüpfte Liste
Eine verknüpfte Liste besteht aus Knoten. Jeder Knoten enthält Daten und einen Verweis auf den nächsten Knoten. Der Vorteil der verknüpften Liste besteht darin, dass Knoten an jeder Position eingefügt oder gelöscht werden können, der Zugriff auf Elemente in der verknüpften Liste jedoch eine Durchquerung vom Kopfknoten erfordert.
2.3 Stapel und Warteschlangen
Der Stapel ist eine LIFO-Datenstruktur (Last-In-First-Out), die nur das Einfügen und Löschen an der Spitze des Stapels zulässt. Eine Warteschlange ist eine FIFO-Datenstruktur (First-In-First-Out), die das Einfügen von Elementen am Ende der Warteschlange und das Löschen von Elementen am Kopf ermöglicht.