第十章-数据结构与算法概要PPT课件

-,1,第十章数据结构与算法,在用计算机解决问题时，首先要进行程序设计，程序设计主要包括两个方面：一是行为特性的设计，二是结构特性的设计。行为特性的设计是指将解决问题过程中的每一个细节准确的加以定义，并将全部的解决过程用某种工具完整地描述出来，这一过程称为算法的设计；结构特性的设计是指为问题的解决确定合适的数据结构。数据结构与算法之间有着密切的关系。特别是对于数据处理问题，算法的效率通常与数据结构在计算机中的表示有着直接的关系。本章主要介绍算法的基本概念以及与算法的度量、数据结构的有关概念、数据的逻辑结构、数据的物理结构等。,-,2,第十章数据结构与算法,10.1算法10.2数据结构的基本概念10.3线性表及其顺序存储结构10.4栈和队列10.5树与二叉树,-,3,10.1算法,10.1.1算法的基本概念10.1.2算法复杂度,-,4,10.1.1算法的基本概念,算法是指对特定问题求解步骤的一种描述，是指令的有限序列。算法分为数值型算法与非数值型算法（又称为符号处理）两种。对于一个问题，如果可以通过一个计算机程序，在有限的存储空间内运行有限长的时间而得到正确的结果，则称这个问题是算法可解的。但算法不等于程序，也不等于计算方法。当然，程序也可以作为算法的一种描述，但程序通常还需考虑很多与方法和分析无关的细节问题，这是因为在编写程序时要受到计算机系统运行环境的限制。就一般情况而言，程序的编制不可能优于算法的设计。,-,5,1.算法的基本特征,算法是一种抽象的解题方法，它具有动态性。作为一个算法，一般应具有以下四个基本特征。,-,6,可行性,算法的可行性主要包括两个方面。一是算法中的每一个步骤必须是能实现的，如在算法中，不允许出现分母为零的情况，在实数范围内不能求一个负数的平方根等；二是算法执行的结果要能达到预期的目的。,-,7,确定性,算法的确定性是指算法中的每一个步骤都必须有明确定义，不允许有模棱两可的解释，也不允许有多义性。并且，在任何条件下，算法只有唯一的一条执行路径，即对于相同的输入只能得出相同的输出。一个算法执行的结果总是与输入的初始数据有关，不同的输入将会有不同的结果输出。当输入不够或输入错误时，算法本身就无法执行或导致执行有错。,-,8,有穷性,算法的有穷性是指算法必须能在有限的时间内做完，即算法必须能在执行有限个步骤之后终止。算法的有穷性还应包括合理的执行时间的含义。因为，如果一个算法需要执行千万年，它就失去了实用价值。,-,9,拥有足够的情报,一个算法是否有效，还取决于为算法所提供的情报是否足够。如对于指令“如果小明是大学生，则输出字母“Y”，否则输出字母“N”。如果在提供的部分学生的名单中找不到小明的名字，则在执行该指令时就无法确定小明是否是大学生。一般来说，当算法拥有足够的情报时，此算法才是有效的；而当提供的情报不够时，算法并不有效。,-,10,2.算法的基本要素,一个算法由两种基本要素组成：一是对数据对象的运算和操作，二是算法的控制结构,-,11,如：求SUM=1+2+3+4+5+50算法如下第一步：输入（输入个数50）。第二部：置初态（累加器sum为0，要进行累加的数I为1）。第三步：重复执行下面的语句，直到I50求得累加和sum=sum+I获得下一个类加数I=I+1。第四步：输出（显示结果sum.）。第五步：结束由该例可以看到，一个算法由一些操作组成，而这些操作又是按一定的控制结构所规定的次序执行的。,-,12,算法中对数据的运算和操作,算术运算：主要包括加、减、乘、除等运算。逻辑运算：主要包括“与”、“或”、“非”等运算。关系运算：主要包括“大于”、“小于”、“等于”、“不等于”等运算。数据传输：主要包括赋值、输入、输出等操作。,-,13,算法的控制结构,算法的控制结构是指算法中各操作之间的执行顺序。一个算法的功能不仅取决于所选用的操作，而且还与各操作之间的执行顺序有关。一个算法一般都可以用顺序、选择及循环三种基本控制结构组合而成。,-,14,3.算法设计基本方法,计算机解题的过程实际上是在实施某种算法，这种算法称为计算机算法。计算机算法不同于人工处理的方法。在实际应用时，各种方法之间往往存在着一定的联系,-,15,列举法,列举法是指根据提出的问题，列举所有可能情况，并用问题中给定的条件检验哪些是需要的，哪些是不需要的。列举法的特点是算法比较简单，但当列举的可能情况较多时，执行列举算法的工作量将会很大。因此，在用列举法设计算法时，应该重点注意使方案优化及尽量减少运算工作量。通常，在设计列举算法时，只要对实际问题进行详细分析，将与问题有关的知识条理化、完备化、系统化，从中找出规律，或对所有可能的情况进行分类，引出一些有用的信息，即可以大大减少列举量。,-,16,列举原理是计算机应用领域中十分重要的原理。许多实际问题，若采用人工列举是不可想象的，但由于计算机的运算速度快，擅长重复操作，可以很方便地进行大量列举。列举算法虽然是一种比较笨拙而原始的方法，其运算量比较大，但在有些实际问题中（如寻找路径、查找、搜索等问题），局部地使用列举法是很有效的。所以说列举算法是计算机算法中的一个基础算法。,-,17,归纳法,归纳法是指通过列举少量的特殊情况，经过分析，最后找出一般的关系。显然，归纳法要比列举法更能反映问题的本质，并且可以解决列举量为无限的问题。但是，从一个实际问题中总结归纳出一般的关系，并不是一件容易的事情，尤其是要归纳出一个数学模型更为困难。从本质上讲，归纳就是通过观察一些简单而特殊的情况，最后总结出有用的结论或解决问题的有效途径。除了上述两种方法之外，还有递推、递归、减半递推技术等。,-,18,10.1.2算法复杂度,算法的复杂度主要包括时间复杂度和空间复杂度两种。,-,19,1.算法的时间复杂度,算法的时间复杂度是指执行算法所需要的计算工作量。为了能够比较客观的反映出一个算法的效率，可以用算法在执行过程中所需基本运算的执行次数来度量算法的工作量。基本运算反映了算法运算的主要特征，用基本运算的次数来度量算法工作量是客观的，也是实际可行的，有利于比较同一问题的几种算法的优劣。算法所执行的基本运算次数还与问题的规模有关。如比较两个20阶矩阵相乘与两个10阶矩阵相乘，所需要的基本运算（即两个实数的乘法）次数显然是不同的，前者需要更多的运算次数。因此，在分析算法的工作量时，还必须对问题的规模进行度量。,-,20,综上所述，算法的工作量用算法所执行的基本运算次数来度量，而算法所执行的基本运算次数是问题规模的函数，即算法的工作量=f（n）其中，n是问题的规模,-,21,2.算法的空间复杂度,算法的空间复杂度是指执行这个算法所需要的存储空间。一个算法所占用的存储空间包括算法程序所占的空间、输入的初始数据所占的空间以及算法执行过程中所需要的额外空间。其中额外空间包括算法程序执行过程中的工作单元以及某种数据结构所需要的附加空间。在许多实际问题中，为了减少算法所占的存储空间，通常采用压缩存储技术，以便尽量减少不必要的额外空间。,-,22,10.2数据结构的基本概念,如今，计算机已经深入到人类社会的各个领域。计算机的应用已不再局限于科学计算，而更多地用于控制、管理及数据处理等非数值计算的处理工作。与此相应，计算机加工处理的对象由纯粹的数值发展到字符、表格和图像等各种具有一定结构的数据。为了编写出一个“好”的程序，必须分析待处理的对象的特性以及各处理对象之间存在的关系。,-,23,10.2数据结构的基本概念,10.2.1什么是数据结构10.2.2线性结构与非线性结构,-,24,10.2.1什么是数据结构,数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。数据元素具有广泛的含义，一般来说，现实世界中客观存在的一切个体都可以是数据元素。如描述一年四季的季节名春、夏、秋、冬可以作为季节的数据元素；表示数值的各个数2、4、8、12、16等都可以作为数值的数据元素，甚至每一个客观存在的事件，如一次演讲、一次借书、一次比赛等也可以作为数据元素。,-,25,总之，在数据处理领域中，每一个需要处理的对象都可以抽象成数据元素。数据元素一般简称为元素。在具有相同特征的数据元素集合中,各个数据元素之间存在有某种关系,这种关系反映了该集合中的数据元素所固有的一种结构。在数据处理领域中,通常把数据元素之间这种固有的关系简单地用前后件关系（或直接前驱与直接后继关系）来描述。前后件关系是数据元素之间的一个基本关系，但前后件关系所表示的实际意义是随具体对象的不同而不同的。,-,26,一般来说，数据元素之间的任何关系都可以用前后件关系来描述。如在考虑一年4个季节的顺序关系时，则“春”是“夏”的前件（又称直接前驱，下同），而“夏”是“春”的后件（又称直接后继，下同）。同样，“夏”是“秋”的前件，“秋”是“夏”的后件；“秋”是“冬”的前件，“冬”是“秋”的后件。,-,27,1.数据的逻辑结构,一个数据结构应包含两方面的信息：表示数据元素的信息、表示各数据元素之间的前后件关系。数据的逻辑结构是指反映数据元素之间逻辑关系的数据结构。由前面的叙述可以知道，数据的逻辑结构有两个要素：一是数据元素的集合，通常记为D；二是D上的关系，它反映了D中各数据元素之间的前后件关系，通常记为R，即一个数据结构可以表示成B（D，R）,-,28,其中B表示数据结构。为了反映D中各数据元素之间的前后件关系，一般用二元组来表示。如前面提到的一年四季的数据结构可以表示成B（D，R）D春，夏，秋，冬R（春，夏），（夏，秋），（秋，冬）,-,29,2.数据的存储结构,数据的存储结构（又称数据的物理结构）是指数据的逻辑结构在计算机存储空间中的存放形式。由于数据元素在计算机存储空间中的位置关系可能与逻辑关系不同，为了表示存放在计算机存储空间中的各数据元素之间的逻辑关系，在数据的存储结构中，不仅要存放各数据元素的信息，还需要存放各数据元素之间的前后件关系的信息。一种数据的逻辑结构根据需要可以表示成多种存储结构。常用的存储结构有顺序、链接、索引等存储结构。而采用不同的存储结构，其数据处理的效率是不同的。因此，在进行数据处理时，选择合适的存储结构是很重要的。,-,30,3.数据结构的图形表示,一个数据结构除了用二元关系表示外，还可以直观地用图形表示。在数据结构的图形表示中，对于数据集合D中的每一个数据元素用中间标有元素值的方框表示，一般称为数据结点（又称为结点）。为了进一步表示各数据元素之间的前后件关系，对于关系R中的每一个二元组，用一条有向线段从前件结点指向后件结点。一年四季的数据结构。如图10.1所示。,-,31,图10.1一年四季数据结构的图形表示,-,32,10.2.2线性结构与非线性结构,根据数据结构中各数据元素之间前后件关系的复杂程度，一般将数据结构分为两大类型：线性结构与非线性结构。如果一个非空的数据结构满足两个条件：一是有且只有一个根结点，二是每一个结点最多有一个前件，也最多有一个后件，则称该数据结构为线性结构。如前面所说的一年四季这个数据结构以及n维向量数据结构，它们都属于线性结构。如果一个数据结构不是线性结构，则称为非线性结构。如反映家庭成员间辈分关系的数据结构，它不是线性结构，而属于非线性结构。显然，在非线性结构中，各数据元素之间的前后件关系要比线性结构复杂。如果在一个数据结构中一个数据元素都没有，则称该数据结构为空的数据结构。线性结构与非线性结构都可以是空的数据结构。如果对该数据结构的运算是按线性结构的规则来处理的，则属于线性结构；否则属于非线性结构。非线性结构又分为树、图等。,-,33,10.3线性表及其顺序存储结构,10.3.1线性表的基本概念10.3.2线性表的顺序存储结构,-,34,10.3.1线性表的基本概念,线性表是最简单、最常用的一种数据结构。线性表由一组数据元素构成。数据元素的含义很广泛，在不同的具体情况下，它可以有不同的含义。如一个n维向量（x1，x2，xn）是一个长度为n的线性表，其中的每一个分量就是一个数据元素。又如，英文小写字母表（a，b，c，z）是一个长度为26的线性表，其中的每一个小写字母就是一个数据元素。数据元素可以是简单项（如上述例子中的数、字母、季节名等），也可以由若干个数据项组成。如某班的学生情况登记表是一个复杂的线性表，表中每一个学生的情况就组成了线性表中的每一个元素，每一个数据元素包括姓名、学号、性别、年龄和健康状况5个数据项，在这种复杂的线性表中，由若干数据项组成的数据元素称为记录（record），而由多个记录构成的线性表称为文件（file）。因此，上述学生情况登记表是一个文件，其中每一个学生的情况是一个记录。如表10.1所示。,-,35,表10.1学生情况登记表,-,36,综上所述，线性表是由n（n0）个数据元素（a1，a2，an）组成的一个有限序列，表中的每一个数据元素，除了第一个外，有且只有一个前件，除了最后一个外，有且只有一个后件，即线性表或是一个空表，或可以表示为（a1，a2，ai，an）其中ai（i=1，2，n）是属于数据对象的元素，通常称其为线性表中的一个结点。显然，线性表是一种线性结构。数据元素在线性表中的位置只取决于它们自己的序号，即数据元素之间的相对位置是线性的。线性表中结点的个数n称为线性表的长度。当n=0时，称为空表。,-,37,10.3.2线性表的顺序存储结构,在计算机内，可以用不同的方式来表示线性表，其中最简单、最常用的方法是顺序存储（又称为顺序映象）。线性表的顺序存储结构具有以下两个基本特点：一是线性表中所有元素所占的存储空间是连续的；二是线性表中各数据元素在存储空间中是按逻辑顺序依次存放的。由此可以看出，在线性表的顺序存储结构中，其前后件两个元素在存储空间中是紧邻的，且前件元素一定存储在后件元素的前面。在程序设计语言中，通常定义一个一维数组来表示线性表的顺序存储空间。因为程序设计语言中的一维数组与计算机中实际的存储空间结构是类似的，这就便于用程序设计语言对线性表进行各种运算处理。,-,38,10.4栈和队列,10.4.1栈及其基本运算10.4.2队列及其基本运算,-,39,10.4.1栈及其基本运算,栈和队列是两种重要的线性结构，从数据结构角度看，栈和队列也是线性表。其特殊性在于栈和队列是线性表操作的子集，它们是操作受限的线性表。,-,40,1.什么是栈,栈（stack）是指限定仅在一端进行插入与删除的特殊的线性表。在栈中，允许插入与删除的一端称为栈顶，而不允许插入与删除的另一端称为栈底。不含元素的空表称为空栈。栈顶元素总是最后被插入的元素，从而也是最先能被删除的元素；栈底元素总是最先被插入的元素，从而也是最后才能被删除的元素，即栈是按照“先进后出”（FirstInLastOut，简称FILO）或“后进先出”（LastInFirstOut，简称LIFO）的原则组织数据的，因此，栈也称为“先进后出”表或“后进先出”表。由此可以看出，栈具有记忆作用。通常用指针top来指示栈顶的位置，用指针bottom指向栈底。,-,41,2.栈的运算,栈的基本运算有三种：入栈、出栈与读栈顶元素。入栈运算入栈运算是指在栈顶位置插入一个新元素。这个运算有两个基本操作：首先将栈顶指针进一（即top加1），然后将新元素插入到栈顶指针指向的位置。当栈顶指针已经指向存储空间的最后一个位置时，说明栈空间已满，不可能再进行入栈操作。这种情况称为栈“上溢”错误。出栈运算出栈运算是指取出栈顶元素并赋给一个指定的变量。这个运算有两个基本操作：首先将栈顶元素（栈顶指针指向的元素）赋给一个指定的变量，然后将栈顶指针退一（即top减1）。当栈顶指针为0时，说明栈空，不可能进行出栈操作。这种情况称为栈“下溢”错误。,-,42,读栈顶元素读栈顶元素是指将栈顶元素赋给一个指定的变量。必须注意，这个运算不删除栈顶元素，只是将它的值赋给一个变量，因此，在这个运算中，栈顶指针不会改变。当栈顶指针为0时，说明栈空，读不到栈顶元素。,-,43,10.4.2队列及其基本运算,队列（queue）是指允许在一端进行插入、而在另一端进行删除的线性表。允许插入的一端称为队尾，通常用一个称为尾指针（rear）的指针指向队尾元素，即尾指针总是指向最后被插入的元素；允许删除的一端称为排头（也称为队头），通常也用一个排头指针（front）指向排头元素的前一个位置。显然，在队列这种数据结构中，最先插入的元素将最先能够被删除，反之，最后插入的元素将最后才能被删除。因此，队列又称为“先进先出”（FirstInFirstOut，简称FIFO）或“后进后出”（LastInLastOut，简称LILO）的线性表，它体现了“先来先服务”的原则。在队列中，队尾指针rear与排头指针front共同反映了队列中元素动态变化的情况。,-,44,2.队列的运算往队列的队尾插入一个元素称为入队运算，从队列的排头删除一个元素称为出队运算。,-,45,10.5树与二叉树,10.5.1树及其基本性质10.5.2二叉树及其基本性质10.5.3二叉树的遍历,-,46,10.5.1树及其基本性质,1.什么是树树（tree）是指所有数据元素之间的关系具有明显层次特性的一种简单的非线性数据结构。在用图形表示树这种数据结构时，很像自然界中的树，只不过是一棵倒长的树，因此，这种数据结构就用“树”来命名。如图10.2所示。,-,47,-,48,2.树的基本性质树具有明显的层次关系，在所有的层次关系中，人们最熟悉的是血缘关系，按血缘关系可以很直观地理解树结构中各数据元素结点之间的关系，因此，在描述树结构时，也经常使用血缘关系中的一些述语。（1）在树结构中，每一个结点只有一个前件，称为父结点。在树中，没有前件的结点只有一个，称为树的根结点，简称为树的根。如在图10.2中，结点R是树的根结点。（2）在树结构中，每一个结点可以有多个后件，它们都称为该结点的子结点。没有后件的结点称为叶子结点。如在图10.2中，结点C、M、F、E、X、G、S、L、Z、A均为叶子结点。,-,49,（3）在树结构中，一个结点所拥有的后件个数称为该结点的度。如在图10.2中，根结点R的度为4；结点T的度为3；结点K、B、N、H的度为2；结点P、Q、D、O、Y、W的度为1。叶子结点的度为0。在树中，所有结点中的最大度称为树的度。如图10.2所示的树的度为4。在树结构中，一般按如下原则分层：根结点在第l层；同一层上所有结点的所有子结点在下一层。如在图10.2中：根结点R在第1层；结点K、P、Q、D在第2层；结点B、E、N、O、T在第3层；结点C、H、X、Y、S、W、Z、A在第4层；结点M、F、G、L在第5层。树的最大层次称为树的深度。如图10.2所示的树的深度为5。,-,50,在树中，以某结点的一个子结点为根构成的树称为该结点的一棵子树。如在图10.2中，结点R有4棵子树，它们分别以K、P、Q、D为根结点；结点P有1棵子树，其根结点为N；结点T有3棵子树，它们分别以W、Z、A为根结点。在树中，叶子结点没有子树。,-,51,10.5.2二叉树及其基本性质,1.二叉树二叉树（binarytree）是一种很有用的非线性结构。它与树结构很相似，并且，树结构的所有术语都可以用到二叉树这种数据结构上。二叉树具有以下两个特点：一是非空二叉树只有一个根结点；二是每一个结点最多有两棵子树，且分别称为该结点的左子树与右子树，其次序不能任意颠倒。,-,52,由以上特点可以看出，在二叉树中，每一个结点的度最大为2，即所有子树（左子树或右子树）也均为二叉树。另外，二叉树中的每一个结点的子树被明显地分为左子树与右子树。在二叉树中，一个结点可以只有左子树而没有右子树，也可以只有右子树而没有左子树。当一个结点既没有左子树也没有右子树时，该结点即是叶子结点。一棵深度为4的二叉树。如图10.3所示。,-,53,-,54,2.二叉树的基本性质二叉树具有以下几个性质。性质1在二叉树的第K层上，最多有2k-1（k1）个结点。根据二叉树的特点，这个性质是显然的。性质2深度为m的二叉树最多有-1个结点。深度为m的二叉树是指二叉树共有m层。根据性质1，只要将第1层到第m层上的最大的结点数相加，就可以得到整个二叉树中结点数的最大值，即,-,55,性质3在任意一棵二叉树中，度为0的结点（即叶子结点）总是比度为2的结点多一个。如在图10.3所示的二叉树中，有3个叶子结点，有2个度为2的结点，度为0的结点比度为2的结点多一个。性质4具有n个结点的二叉树，其深度至少为+1，其中表示取的整数部分。这个性质可以由性质2直接得到。,-,56,3.满二叉树与完全二叉树满二叉树与完全二叉树是两种特殊形态的二叉树。满二叉树满二叉树是指除最后一层外，每一层上的所有结点都有两个子结点。这就是说，在满二叉树中，每一层上的结点数都达到最大值，即在满二叉树的第k层上有-1个结点，且深度为m的满二叉树有-1个结点。深度为2、3、4的满二叉树。如图10.4（a）、10.4（b）、10.4（c）所示。,-,57,（a）深度为2的满二叉树（b）深度为3的满二叉树（c）深度为4的满二叉树,-,58,完全二叉树完全二叉树是指除最后一层外，每一层上的结点数均达到最大值；在最后一层上只缺少右边的若干结点。更确切地说，如果从根结点起，对二叉树的结点自上而下、自左至右用自然数进行连续编号，则深度为m，且有n个结点的二叉树，当且仅当其每一个结点都与深度为m的满二叉树中编号从1到n的结点一一对应时，称之为完全二叉树。深度为4的完全二叉树。如图10.5所示。,-,59,-,60,对于完全二叉树来说，叶子结点只可能在层次最大的两层上出现；对于任何一个结点，若其右分支下的子孙结点的最大层次为p,则其左分支下的子孙结点的最大层次为p，或为p+l。由满二叉树与完全二叉树的特点可以看出，满二叉树也是完全二叉树，而完全二叉树一般不是满二叉树。完全二叉树还具有以下两个性质：性质5具有n个结点的完全二叉树的深度为,-,61,性质6设完全二叉树共有n个结点。如果从根结点开始，按层序（每一层从左到右）用自然数1，2，n给结点进行编号，则对于编号为k（k=1，2，n）的结点有以下结论：若k1，则该结点为根结点，它没有父结点；若kl，则该结点的父结点编号为INT（k2）。若2kn，则编号为k的结点的左子结点编号为2k；否则该结点无左子结点（显然也没有右子结点）。若2k+1n，则编号为k的结点的右子结点编号为2k+1；否则该结点无右子结点。根据完全二叉树的这个性质，如果按从上到下、从左到右顺序存储完全二叉树的各结点，则很容易确定每一个结点的父结点、左子结点和右子结点的位置。,-,62,10.5.3二叉树的遍历,二叉树的遍历是指不重复