C语言数据结构专题--顺序表（1基础）

news2024/11/19 22:50:17

前言

我们在对C语言有一定的了解之后，我们就可以开始数据结构的学习了，数据结构多用指针、结构体、动态内存开辟等知识，若对这些知识还不太了解的朋友，就需要加深其理解了，那么废话不多说，我们正式开始本节的学习

什么是数据结构

数据结构是由"数据" 和 "结构" 两个词相组合得到的 

那么什么是数据呢？

例如：常见的数字1、2、3、4、5等，手机通讯录里面保存的联系人信息（号码、名字等）、浏览器网页里面的信息，这些都统称为数据

什么是结构呢？

当我们需要使用大量同一类型的数据时，我们手动的定义大量独立的变量对程序来说可读性很差，我们往往可以借助数组等这些数据结构将大量的数据组织在一起，所以结构也可以理解为组织数据的方式

举个通俗易懂的例子：我们如果想要在一大片草场上寻找一名叫 "多莉" 的羊难度会很大，但是我们要在羊圈中找到 "多莉" 就会很简单，羊圈就好像一个结构，而羊就好似数据

概念：数据结构是计算机存储、组织数据的⽅式。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。数据结构反映数据的内部构成，即数据由那部分构成，以什么⽅式构成，以及数据元素之间呈现的结构

其中：在数据结构中最基础的数据结构就是数组

顺序表

顺序表是线性表的一种，其中：线性表是具有相同特征的数据结构的集合

线性表的特征：

1.物理结构不一定连续（数据间的地址不一定是连续的）

2.逻辑结构是连续的

顺序表在物理结构和逻辑结构层面上都是连续的

顺序表的底层就是数组，顺序表是在数组的基础上进行维护、封装

可能有人就会产生疑问：既然都有数组了，数组也可以实现数据的增加、删除、查询、修改功能，那么顺序表的存在又有什么意义呢？

当我们想修改、插入或者删除数组中的某个数据时，我们首先需要通过循环来查找数组之中已有元素的个数，再进行数据的修改、插入或者删除，我们每次进行操作的时候都需要进行循环的处理，这样就会很浪费时间和空间，此时顺序表的存在就有意义了

顺序表的底层虽然是数组，但是数组提供了很多现成的办法来处理数据，相比直接使用数组会更加的简洁高效

顺序表分类

1.静态顺序表

struct Seqlist
{
	int arr[100];
	int size;//记录顺序表当前有效数据的个数


};

静态顺序表的底层是一个定长的数组，在代码的编译阶段，我们就确认了数组的大小

2.动态顺序表

//动态顺序表
struct Seqlist
{
	int* arr;
	int size;//有效的数据个数
	int capacity;//记录空间大小
};

那么动态顺序表和静态顺序表二者相比较谁更好呢？

对于静态顺序表而言。若是数组大小给小了，则会导致空间不够用的问题，可能导致数据的丢失；若是数组大小给大了，则会导致空间的浪费

所以动态顺序表更好，因为它更加灵活

我们在实现顺序表时，我们通常把它分成两个文件

头文件：顺序表的结构，声明实现顺序表的方法（头文件实现的是类似于书的目录的功能）

源文件：实现顺序表的方法

同时我们在实现顺序表的时候还需要多创建一个文件，用于检测其功能是否正常

​
//动态顺序表
struct Seqlist
{
	int* arr;
	int size;//有效数据的个数
	int capacity;//空间大小
};

​

我们先在头文件中定义顺序表结构体，考虑到我们存入顺序表中的数据类型不一定为 int 类型，还有可能是 char 类型的数据，所以我们可以定义一下，用定义表示当前顺序表中存储数据的类型，具体操作如下：

typedef int SLDataType;

//动态顺序表
struct Seqlist
{
	SLDataType* arr;
	int size;//有效数据的个数
	int capacity;//空间大小
};

我们可以重命名一下结构体类型来简化代码：

//动态顺序表
typedef struct Seqlist
{
	SLDataType* arr;
	int size;//有效数据的个数
	int capacity;//空间大小
}SL;

下面我们就来实现一下顺序表的各种功能：

顺序表的初始化

在源文件中初始化前，我们需要在头文件中声明一下

void SLInit(SL ps);

此时我们就可以在源文件中初始化

#include"Seqlist.h"
void SLInit(SL s)
{
	s.arr = NULL;
	s.size = s.capacity = 0;

}

由于我们不知道初始化是否成功，我们就可以在测试文件中通过打印各个成员的值，通过在屏幕上面打印的值在观察出初始化是否成功

我们按照我们的常规理解来写出如下代码：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Seqlist.h"


void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}

当我们在运行程序的时候，我们发现它报错了

这个报错非常的奇怪，编译器说我们使用了未初始化的局部变量 s1，而我们现在所做的操作不正是要初始化吗？这样不是自相矛盾吗？

我们仔细分析一下就可以发现问题：

我们传入的 sl 是形式参数，我们采取的是传值操作，由于 sl 本来就是没有初始化的变量，无法进行传值操作，要想解决这个问题，我们需要使用传址操作，现在我们就来改一下代码：

#include"Seqlist.h"
void SLInit(SL* ps)
{
	ps->arr = NULL;
	ps->size = ps->capacity = 0;

}
void SLInit(SL* ps);

此时我们的初始化代码就成功完成了

顺序表的销毁

因为数组的大小是动态开辟的，需要使用到动态内存函数，我们需要释放开辟的空间，那么我们就需要采取如下的操作：

顺序表的头部 插入 和 删除 + 顺序表的 尾部 插入 和 删除
顺序表的尾插

举个例子：若数组里面只有四个数据

0123

                              0                     1                  2                    3             4               5

此时 size = 4  capacity = 6，我们想要在它的尾部插入 x = 5

我们可以发现我们想要插入数据的地方的下标就是 size 的大小，同时再插入数据之前，我们需要先保证有空间允许去插入，如果空间不够，我们还需要去申请空间，那么我们该怎么申请空间呢？

首先，空间的申请需要使用到 malloc calloc realloc 函数，当申请的空间被使用完了我们还需要去增容，那么我们要申请多大的空间呢？一次增容又该增多大呢？

申请空间的规则：增容通常来说是成倍数的增加，一般是两倍增容，若空间是一个一个地去增加，那么插入数据也得一个一个的去插入，这样会非常的麻烦，若要频繁的增容，程序运行的效率就会大大降低；若一次进行大量的增容，就会造成空间的浪费。所以采取两倍两倍的增容是最合理的

4 --------> 8 --------> 16 --------> 32 --------> 64

通过以上几个注意事项，我们可以写出代码：

​
//尾插
void SLPushBack(SL* ps, SLDataType x)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}
	//插入数据前看空间够不够
	if (ps->capacity == ps->size)
	{
		//申请空间
		//判断capacity是否为0
		int newCapaciy = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
		SLDataType* tmp = (SLDataType*)realloc(ps->arr, ps->newCapacity * sizeof(SLDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
			//直接退出程序，不再继续执行
		}
		//空间申请成功
		ps->arr = tmp;
		ps->capacity = newCapaciy;
	}
	
	ps->arr[ps->size] = x;
	++ps->size;
	//或者写作 ps->arr[ps->size++] = x;
	ps->size++;

}

​

注意：我们在增容的时候需要临时创建一个变量用于存储增容后的指针，若是直接将 其赋给 arr，倘若空间申请失败，原数据内容也会丢失，导致不可逆的错误

我们在 test.c 中测试一下这个代码

#include"Seqlist.h"


void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(&s1);
	//测试尾插代码
	SLPushBack(&s1, 1);
	SLPushBack(&s1, 2);
	SLPushBack(&s1, 3);
	SLPushBack(&s1, 4);
	SLPushBack(&s1, 5);

	//.....
	SLDestory(&s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}

这样我们的尾插操作就完成了

顺序表的头插

举个例子：

0123

                               0                 1                    2                     3              4（size）

在开始进行头插之前。我们同样的需要判断插入数据的空间够不够，不够的话我们需要增容。

头插需要在下标为0的地方插入数据，但是原数组下标为0的地方已经有了数据，这时我们应该怎么插入数据呢？

我们此时需要把原顺序表中的数据统一向后挪动一位

0123

若我们此时需要插入一个数据 x = 6

由于我们在进行头插和尾插之前都需要判断空间是否足够，此时我们就可以把判断空间的代码单独封装成一个函数：

void SLCheckCapacity(SL* ps)
{
	//插入数据前看空间够不够
	if (ps->capacity == ps->size)
	{
		//申请空间
		//判断capacity是否为0
		int newCapaciy = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
		SLDataType* tmp = (SLDataType*)realloc(ps->arr, newCapaciy * sizeof(SLDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
			//直接退出程序，不再继续执行
		}
		//空间申请成功
		ps->arr = tmp;
		ps->capacity = newCapaciy;
	}
}

在数据挪动的时候，我们可以发现：数组中的最后一个元素，经过挪动后，需要到达下标为 size 处

所以由此我们可以写出头插的代码：

//头插
void SLPushFront(SL* ps, SLDataType x)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}
	SLCheckCapacity(ps);
	//先让顺序表中的数据向后挪动一位
	for (int i = ps->size; i > 0; i--)
	{
		ps->arr[i] = ps->arr[i - 1];//arr[1] = arr[0]
	}
		ps->arr[0] = x;
		ps->size++;
	
}

我们再在 test.c 文件里面测试一下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Seqlist.h"


void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(&s1);
	//测试尾插代码
	SLPushFront(&s1, 1);
	SLPushFront(&s1, 2);
	SLPushFront(&s1, 3);
	SLPushFront(&s1, 4);
	SLPushFront(&s1, 5);

	//.....
	SLDestory(&s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}

我们运行调试，可以发现头插功能成功实现

由于每次都运行调试比较麻烦，我们来定义一个函数用于打印顺序表中的元素：

//打印
void SLPrint(SL s)
{
	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		printf("%d ", s.arr[i]);
	}
	printf("\n");
}
顺序表的尾部删除
0123

我们首先需要判断顺序表是否为空，为空的话就不能执行删除操作

我们可以知道，每次删除完数据以后，数组里面的数据就会减少一个，所以 size--

此时我们就能够很轻松地写出尾部删除的代码：

//尾部删除
void SLPopBack(SL* ps)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}

	if (ps->size == 0)
	{
		return;
	}

	--ps->size;

}
我们来测试一下
void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(&s1);
	测试尾插代码
	SLPushBack(&s1, 1);
	SLPushBack(&s1, 2);
	SLPushBack(&s1, 3);
	SLPushBack(&s1, 4);
	SLPrint(s1);
	SLPopBack(&s1);
	SLPrint(s1);


	//.....
	SLDestory(&s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}
顺序表的头部删除

我们在删除完数据以后，需要把顺序表里原有的顺序整体向前挪动一位

根据这个，我们可以写出代码如下：

//头部删除
void SLPopFront(SL* ps)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}

	if (ps->size == 0)
	{
		return;
	}

	//数据整体前挪
	for (int i = 0; i < ps->size - 1; i++)
	{
		ps->arr[i] = ps->arr[i + 1];
	}
	ps->size--;
}

我们测试一下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Seqlist.h"


void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(&s1);
	测试尾插代码
	SLPushBack(&s1, 1);
	SLPushBack(&s1, 2);
	SLPushBack(&s1, 3);
	SLPushBack(&s1, 4);
	SLPrint(s1);
	SLPopFront(&s1);
	SLPrint(s1);


	//.....
	SLDestory(&s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}

代码运行成功

顺序表代码合并

头文件

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>


typedef int SLDataType;

//动态顺序表
typedef struct Seqlist
{
	SLDataType* arr;
	int size;//有效数据的个数
	int capacity;//空间大小
}SL;

//顺序表的初始化
void SLInit(SL* ps);
//顺序表的销毁
void SLDestory(SL* ps);
//顺序表的头部 插入 和 删除 + 顺序表的 尾部 插入 和 删除
void SLPushBack(SL* ps, SLDataType x);
void SLPushFront(SL* ps, SLDataType x);

void SLPopBack(SL* ps);
void SLPopFront(SL* ps);

//顺序表的打印
void SLPrint(SL s);

源文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
//静态顺序表
//struct Seqlist
//{
//	int arr[100];
//	int size;//记录顺序表当前有效数据的个数
//
//
//};

//动态顺序表
//struct Seqlist
//{
//	int* arr;
//	int size;//有效的数据个数
//	int capacity;//记录空间大小
//};

#include"Seqlist.h"
void SLInit(SL* ps)
{
	ps->arr = NULL;
	ps->size = ps->capacity = 0;

}

//顺序表的销毁
void SLDestory(SL* ps)
{
	if (ps->arr)
	{
		free(ps->arr);
	}

	ps->arr = NULL;
	ps->size = ps->capacity = 0;
}


void SLCheckCapacity(SL* ps)
{
	//插入数据前看空间够不够
	if (ps->capacity == ps->size)
	{
		//申请空间
		//判断capacity是否为0
		int newCapaciy = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
		SLDataType* tmp = (SLDataType*)realloc(ps->arr, newCapaciy * sizeof(SLDataType));
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("realloc fail!");
			exit(1);
			//直接退出程序，不再继续执行
		}
		//空间申请成功
		ps->arr = tmp;
		ps->capacity = newCapaciy;
	}
}



//尾插
void SLPushBack(SL* ps, SLDataType x)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}
	SLCheckCapacity(ps);
	ps->arr[ps->size] = x;
	++ps->size;
	//或者写作 ps->arr[ps->size++] = x;

}

//头插
void SLPushFront(SL* ps, SLDataType x)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}
	SLCheckCapacity(ps);
	//先让顺序表中的数据向后挪动一位
	for (int i = ps->size; i > 0; i--)
	{
		ps->arr[i] = ps->arr[i - 1];//arr[1] = arr[0]
	}
		ps->arr[0] = x;
		ps->size++;
	
}

//打印
void SLPrint(SL s)
{
	for (int i = 0; i < s.size; i++)
	{
		printf("%d ", s.arr[i]);
	}
	printf("\n");
}

//尾部删除
void SLPopBack(SL* ps)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}

	if (ps->size == 0)
	{
		return;
	}

	--ps->size;

}
//头部删除
void SLPopFront(SL* ps)
{
	if (ps == NULL)
	{
		return;
	}

	if (ps->size == 0)
	{
		return;
	}

	//数据整体前挪
	for (int i = 0; i < ps->size - 1; i++)
	{
		ps->arr[i] = ps->arr[i + 1];
	}
	ps->size--;
}

测试文件

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"Seqlist.h"


void SLTest01()
{
	SL s1;
	SLInit(&s1);
	测试尾插代码
	SLPushBack(&s1, 1);
	SLPushBack(&s1, 2);
	SLPushBack(&s1, 3);
	SLPushBack(&s1, 4);
	SLPrint(s1);
	SLPopBack(&s1);
	SLPrint(s1);


	//.....
	SLDestory(&s1);

}

int main()
{
	SLTest01();
	return 0;
}

结尾

顺序表代码的实现整体难度不是很大，但是要求我们在编写代码的时候要考虑仔细，若是有疏忽就很容易出现错误。因为顺序表的内容很多，我就将顺序表封装成了两节，本节我们讲解的是顺序表的基本内容，下一节为大家带来顺序表更高级的内容实现：顺序表删除、插入指定位置的数据。谢谢您的浏览

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