何为数据结构？

咱今天也来说道说道......

数据结构介绍

• 准确概念

数据结构就是计算机存储、组织数据的方式

• 概念分析

从上句分析，数据结构是一种方式。一种管理数据的方式。为了做什么？为的就是计算机存储数据，组织数据。

存储数据好理解，就是把数据导进计算机。

组织数据：组织二字：就好比将军带兵。计算机无疑就是将军，数据就是征入军营的士兵们，数据现在还没真正成为士兵，得靠将军对它们进行管理、操练。比如增加能人志士，淘汰不合格的士兵，平时点卯（对士兵进行点名），对士兵在刀剑、骑射方面进行能力的增强。

概念解释清楚了，再看一眼概念：相信同学们已经把概念刻进了DNA。

数据结构就是计算机存储、组织数据的方式

将军之所以能为将帅之才，那自然是依靠它们善带兵之道，识人善用——即针对不同基础的士兵，独有一套招纳、组织方式。

今日，我们就看“队伍”之一——名为：顺序表这支军队里面平时如何招纳、组织数据。

先来看看这支队伍里面的士兵是为何种数据？

数据篇—顺序表里的数据

开门见山，核心一句话：顺序表的底层就是数组。

什么意思？且听我一言：既然是军队，那必然有队列阵型，每一个人站位何处都是定好了的。总不能这立一个，那躺一个，无组织无纪律，这明显和数据结构所达目的背道而驰。

数组为何能成为顺序表的底层？数组，是⼀组相同类型元素的集合。听听，集合二字，可见它的组织性；相同类型元素，则暗示它浑然天成能打造一支基本素质不低的军队。说白了，顺序表要的就是数组这种凝聚力。

• 阵型排列

具体阵型，简单看看：

地址我随便意思了一下，重点是什么？ 这个顺序表和数组一个样，数组里面的元素数据类型是int型，每个数据拥有4个字节的空间，在数组里元素和元素之间地址连续。

好了，如果本段的解释，让你明白：顺序表的底层就是数组，这一小节儿的重点就把握了。

• 数据类型

照例，先给出核心：顺序表里要求的数据的类型较为广泛，上到内置类型（比如：int,float,double），下到自定义类型（结构体），再到大杂烩（基于内置类型与自定义类型定义的各种数据，比如，int a[ ],char b[ ]。

可以说，数据类型在顺序表里不作重点，简单了解到类型涵盖广泛就足够。

结构篇—顺序表里存储、组织数据

先来看，顺序表是如何招纳（存储）数据的，俗话说“巧妇难为无米之炊”，先得有数据才能管理、组织数据。

存储数据

顺序表在招纳数据的时候，为了满足顺序表本身是数组的特点，数组结构要求有二：类型与大小。

类型我们在前面已讨论—每个数据类型统一且数据类型范围较为广泛。

那么大小呢？在建立“这支队伍”之初，将军似乎不能预估士兵的多少，符合要求的数据到底有多少我们也未知，后续还会需要新的数据，空间不够怎么办？

谁来决定数组的大小？似乎成了问题，“韩信点兵，多多益善”，随着将军带兵之道不断精进，能带善于带更多的士兵（需要的数据不断引进），我们要以数组的形式的排列数据，但是又得灵活地开辟空间，大小是无法一口气拍定的。所以，顺序表里使用动态内存开辟空间（动态数组）对数据进行存储

这里就开始写代码了，我们分成三个文件：SeqList.h(顺序表头文件)，SeqList.c(顺序表函数实现文件)以及test.c(测试文件)

//头文件SeqList.h 包含顺序表类型的定义（即到底是一支由什么数据组成的，有多少数据，现在空间大小几何的数组） 以及相关组织数据方法声明

typedef int SLDatatype;//此处int只为举例
struct SeqList
{
    SLDataType* arr;
    int size;//表示顺序表里有效数据个数
    int capacity;//表示当前顺序表里已开辟空间大小,表示现有capacity个数据的空间，为了后续开辟空间有依据可言
}
//既然是动态数组，我们无法在开辟数组空间无法得知需要的空间大小，但是又得用数组，我们使用指针（数组首元素地址即数组名），表示数组。同时，对于不同数组招募的数据不同，我们直接对int进行重命名，最后如果需要的数据类型不同，可以把typedef后的int改成所需的数据。 

 定义好顺序表的雏形后，可以预见，在今后代码创建顺序表时，我们的代码无疑就是创建一个结构体。

提醒一下“创建顺序表即创建一个结构体”，顺序表本质还是数组，实现出来的样子就是数组。只是在组织数据时需要size和capacity这个变量。

怎么理解呢？ 好理解。 这军队里打仗上战场的是数组（军队）；这把握局势，统揽全局，出谋划策、有助带兵的是谁？当然是军师（size和capacity）。在刚刚那张图里虽然看不见size和capacity,但是对于组织军队，起到重要作用的便是这俩。

所以定义顺序表，包含数组和重要的两个变量

//test.c文件

int main()
{
   struct SeqList sl;//名字很长啊，为了方便定义，我们在顺序表定义对结构体重命名。
   return 0;
}

故最后的顺序表定义代码：

typedef int SLDataType;
//定义一个动态顺序表
typedef struct SeqList
{
	SLDataType* arr;
	int size;//数组里有效数据个数—元素个数
	int capacity;//数组当前大小
}SL;

综上，为了方便存储不同类型的数据，灵活地调整存储数据的空间，我们分别使用重命名typedef成SLDataType 和 动态开辟内存（先只给一个指针表示数组和两个变量方便后续操作） 

组织数据

现在有了存储数据的方式，在没有新来数据时，我们得做些准备工作（初始化）。

一、顺序表（动态数组）的初始化 

//SeqlList.c 

void SLInit(SL sl)
{
    sl.arr = NULL;
    sl.size = sl.capacity = 0;
}

//test.c来检验测试写的实现方法是否有bug

#include "SeqList.h" 
int main()
{
   SL sl;//这里使用SeqList.h定义的类型，不包含就找不到这个顺序表，后续一些函数也无法调用
   SLInit(sl);
   return 0;
}

易错：传值调用和传址调用

经测试，如果这里传SL sl，会报错：使用了未初始化的局部变量sl

解：顺序表在SLInit方法里，形参拷贝了一份sl的值，但是传过去的sl本身就没有值，更不能实现拷贝值一说。这就是为何报错说使用了未初始化的局部变量。

再者，使用了这样一份拷贝的顺序表，在SLInit方法里就算初始化成功，最后被初始化的复印件也会被删除，再看原件，毫无变化——故也没能达到初始化我们原本创建顺序表的目的。

所以，使用传址调用，地址在计算机里，具有唯一性。从不同维度解决问题，精准找到对的顺序表，而不是长得像的，临时的顺序表。

故顺序表的初始化方法代码：

void SLInit(SL* psl)
{
	psl->arr = NULL;
	psl->capacity = psl->size = 0;
}

二、顺序表的销毁

顺序表的销毁，对应我们的将士带兵论即为，在必要情况下，将士将每位士兵遣散回家，这遣散过程还包括扎营驻寨的空间的归还，军师也得衣锦还乡不是？。

拢共三个方面，那代码实现：

void SLDestroy(SL* psl)
{
    if(psl->arr != NULL)
     {
       //既然数组不为空，意味着存着这一支军队
       free(psl->arr);//可见数组的统一，不光组织起来方便，解散也方便
     }
     //数组为空||释放了数组后，说明数组已经不存在
     psl->arr = NULL;//这个数组已经不存在，不能再存地址了
     psl->size = psl->capacity = 0;//有效数据个数也为0，空间大小也为0

}

释放顺序表，考察的是对于各个部分安排是否妥当，切记考虑全面。

三、顺序表的增删查改

这才是真正体现组织数据技术含量的部分，不同的数据结构对于实现：增删查改，有着其独到之处。顺序表的增删查改。

增

两种基本增加数据方法，头插和尾插。头插即在数组下标为0位置处插入我们安排的数据，原来的数据都往后面挪一位（这位新来的数据，可见实力不小，能排在首位，后面的都得挪窝） 

尾插即在原来数组的最后一位有效数字后添加我们安排的数据，原来的数据不用挪位置。（这位新来的数据被安排到最后一位）

这数据招进来，类型统一是统一，可别忘了顺序表

还有size和capacity两个变量。新来一个数据，size++就好，capacity呢？万一空间不够了就安排不进了，这就是在增之前，我们需要考虑的——是否需要此时动态开辟内存

• 是否需要动态开辟内存 

代码：

void SLCheckCapacity(SL* psl)
{
     if(psl->size == psl->capacity)//“扩容”就在此刻
     {
        //说明有效数字已经满了数组已经开辟的空间，也满足刚开始size和capacity同为0的情况
        //扩容操作如下：
        SLDataType* tmp = realloc(psl->arr,2 * psl->capacity * sizeof(SLDataType));//这句为什么用reallo? 因为我们是扩容，realloc函数就是实现在原有空间上继续开辟空间，有增容的概念。第一个参数是你所指定的空间，第二个参数是你所申请开辟的空间大小，因为以存储空间（内存）以字节为单位，故第二个参数要乘上一个数据的字节大小，2*capacity意思是2倍：我们常常2倍增容，这样到后期增容速率会变慢，且2倍增容浪费空间数不会太多。
        //左边为什么用tmp? tmp(暂时的)，realloc函数的返回类型是一个数组首地址（指针），因为申请空间可能不成功，一旦不成功，返回NULL，那原有的数据就会丢失，保险起见，先用一个tmp接收。
        if(tmp == NULL)
        {
         // 意味着没申请成功
         perror("realloc:failed");//报错，提醒自己
        }     
     }
}

 realloc函数有些细节以及2倍增容真正数学原理，我没细说，不过这里的解释倒是够用。有兴趣的同学可以去详细了解。

void SLCheckCapacity(SL* psl)
{
     if(psl->size == psl->capacity)
     {
        SLDataType* tmp = realloc(psl->arr,2 * psl->capacity * sizeof(SLDataType)); //注意这里有个坑，先往后看，马上就说
        if(tmp == NULL)
        {
         // 意味着没申请成功
         perror("realloc:failed");//报错，提醒自己
        }
        else
        {
         // 申请成功了
          psl->arr = tmp;
          psl->capacity = 2 * psl->capacity;
        
        }

     }

}

 易错：psl->capacity==0时，开辟了0个空间

所以以后写一长串参数运算时，注意一下参数为0的情况。

真正的代码实现:

void SLCheckCapacity(SL* psl)
{
     
     if(psl->size == psl->capacity)
     {
        int NewCapacity = psl->capacity == 0 ? 4 : 2 * psl->capacity//创建一个新变量，判断原空间大小：如果为0，默认给它4个空间成为新空间，如果不为0，则在原有基础上2倍成为新空间数
        SLDataType* tmp = realloc(psl->arr,NewCapacity * sizeof(SLDataType)); 
        if(tmp == NULL)
        {
         // 意味着没申请成功
         perror("realloc:failed");//报错，提醒自己
        }
        else
        {
         // 申请成功了
          psl->arr = tmp;
          psl->capacity = NewCapacity;
        
        }

     }

}

• 头插

判断完空间需要扩容后，现在的空间大小已经满足要求。我们开始实现插入数据，最后再size++。

先来看头插：根据刚刚的描述，安排首位为新数据，后面的都要向后移一位。真正逻辑是，先有得首位空了，才能安排新数据；但是要让首位空，所有数据都得先后移一位。故先循环，让后面的数据先移位，循环结束后，下标为0的元素就赋上新数据，再size++；

void SLPushFront(SL* psl,SLDataType x)
{
    assert(psl);//断言：文章最后一部分有解释
    SLCheckCapacity(psl);
    for(int i = psl->size;i ;i--)//移位得从后往前，好好想想：如果从前往后移，首先0下标数字一移就把下标为1的数字就覆盖了，这一改就再也找不到了。及时止损，换个思路：从后往前挪，后面的先后挪总会留下一个空位，画个图就明白了
   {
       psl->arr[i] = psl->arr[i - 1];//循环的最后，就是arr[1] = arr[0];由此得出i的取值范围:i > 0

   }
    psl->arr[0] = x;
    psl->size++;
}

•  尾插

代码思路：先照例检查是否有足够空间，再尾插，这个尾插，插在有效数字的最后，不用移位那也用不上for循环。核心就一句arr[ ] = x

void SLPushBack(SL* psl,SLDataType x)
{
   assert(psl);
   SLCheckCapacity(psl);
   psl->arr[] = x;
   psl->size++;
}

 那【】中到底是什么？

 size本来记录的就是数组里面有效的数字，还是随着数组元素增加依次增加，数组下标从0开始，到size下标时，刚好对应没有数组元素。

补全合并代码，最终的尾插方法：

void SLPushBack(SL* psl,SLDataType x)
{
   assert(psl);
   SLCheckCapacity(psl);
   psl->arr[psl->size++] = x;//size后++,对于安排数字不影响，优雅
}

删

和“增”一样，删这种组织数据的方法，也分头删和尾删  

• 头删 

模拟一下头删场景，借此来窥探代码思路。

头删，头就是下标为0的元素。

 

“好图不嫌多用”，我们在删除此图的26时，最后达成的效果是

对比很鲜明啊，最明显的也是在刚开始写代码容易忽略的就是size--。下标为1及后面的元素都往前了一位。无疑是有循环的，被我们忽略的还有一个26，我们需要单独对它做什么吗？似乎看来，所有数据覆盖后，就达成了这个效果，单独操作不合理也费劲

代码：

void SLPopFront(SL* psl)
{
    assert(psl);
    for(int i = 0;i < psl->size - 1;i++)
    {

     psl->arr[i] = psl->arr[i + 1];//最后一次就是arr[size - 2] = arr[size - 1];由此确定i < size - 1(看移动前那张图分析)
    }
    psl->size--;
}

•  尾删

 同样模拟一下尾删场景，借此来摸索代码思路。

尾删，就是删掉当前数组的最后一位有效数字。在这里就是3

删完后，就是这个效果:

无疑size--，元素并没有发生移位，不用for循环。

代码：

void SLPopBack(SL* psl)
{
   assert(psl);
   psl->size--;//没错，size--就可以，不用对3进行什么操作
}
//为什么？size--后，我们在增加数字时，（头插、尾插），3都会被覆盖，不影响；在删除数字时（头删，我们for循环也只会关心size下标内的数据，3不在有效范围内，不影响；尾删不影响，继续size--),也只关心size内的数据。查找，修改数据更是，不然我们刚开始为何要定义一个变量叫当前数组的有效个数，因为我们只关心下标size之前的数据。

 查

我们这里的查，是根据已给的数据在原数组里判断是否存在。

思路很简单，将数组元素遍历，每个元素与x比较，如果相等就找到了；反之，循环结束后若还没找到，说明当前数组不存在该数据

代码：

int FindByX(SL* psl,SLDataType x)
{
      assert(psl);
      for(int i = 0;i < psl->size;i++)
      {
        if(psl->arr[i] == x)
        {
           return i;//这里先不考虑x有多个的情况，先掌握思路
        }
      }
      return -1;//都直到循环结束，也没找到对应的下标，说明数组里面是没有x这个元素的，故返回一个无效下标


}

//test.c
  int main()
{
 //...
 // 测试“查”方法
    int find = FindByX(psl,x)
      if(find < 0)
      {
       printf("没找到\n");
       
     }
      else{
      printf("找到了，下标为%d\n",find);
     }
 //... 
  return 0;
}

改

两种情况：一种指定下标更改：一步到位arr[指定下标] = x；

还有一种情况，改数组里面的某个数字，那第一步得找到那个数字的对应下标不是？再加上arr[find] = x;

这个没什么坑，直接上代码：

void SLModify(SL* psl,SLDataType x,SLDataType Newx)//为了方便，在参数里面我直接规定了新数据，其实还可以用scanf通过键盘录入新数据
{
   assert(psl);
   int find = FindByX(psl,x);
   if(find < 0)
   {
  
   }
   else
   {
    psl->arr[find] =  Newx;
}

}

//情况二
void SLModify2(SL* psl,int pos,SLDataType Newx)
{
   psl->arr[pos] = Newx
}

四、特殊的增和删

在增加或者删除数据时，我们只介绍了头增和尾增、头删和尾删；不具有增加的任意性：万一所增的数据偏偏非头非尾，所删的数据也在中间某一个位置。

顺序表的指定位置之前插入数据

我们还是通过那张“好图”来模拟场景实现，借此摸索代码思路。

给出这样一个顺序表，现在我们要在数组下标为pos的地方即“1”之前增加一个数据“55”。最后这个顺序表长这样：

上下对比，先看数组外，变量size++了（增加一个数据,有效数据个数可不就得++），再来看数组内元素是否发生移位：发生了，发生的范围在pos及pos后面的所有数据，arr[pos] = 1数据都发生了移位；我们因此能确定使用for循环；并且i的起点应该是pos。

按照之前的理解，思路都是先移位，让arr[pos]空出来，最后arr[pos] = 55,size++，同理可得代码：

void SLInsert(SL* psl,int pos,SLDataType x)
{
   assert(psl);
   for(int i = size;i > pos;i--)
   {
     psl->arr[i] = psl->arr[i - 1];//可以看到这里仍然是从后向前移动数据，循环结束后达到在目的位置为空
   }
   pal->arr[pos] = x;
   psl->size++;
}
//发现没，与头插代码相比，变的就是循环的元素个数（与pos有关）

你会发现，这个方法里，一旦pos==0 就是我们写的头插，pos==size就是我们写的尾插；简而言之，我们对下标任意化了，这就是前文所说的任意性。

顺序表的指定位置删除数据

同样，数据结构要的就是一个代码“跃然纸上”的效果。

这次我们要删除arr[pos] = 1这个数据了。最后的效果：

size变没有？变了——size--;元素移位没有？移了，for循环。有了pos,可以确定循环变量的范围。

代码实现：

void SLDel(SL* psl,int pos)
{
  assert(psl);
  for(int i = pos;i < psl->size - 1;i++)
  {
     psl->arr[i] = psl->arr[i - 1];//最后一步是arr[size - 2] = arr[size - 1]
  }
  psl->size--;
}

 你会发现，这个方法里，一旦pos==0 就是我们写的头删，pos==size就是我们写的尾删；简而言之，我们对下标任意化了，这也对应前文所说的任意性。

代码优化——断言处理：

参数只说了传指针，没说不能传空。

比如：

调试结果：

 究竟原因其实是：对空指针进行解引用，为何不能对空指针进行解引用：操作系统和硬件通常不会将物理内存地址0分配给任何实际的内存块，因此尝试访问这个地址会导致硬件异常，比如段错误或访问违规。操作系统捕获到这种异常后，通常会终止程序的执行。

空指针往往被分配的是NULL代表着0x00,也同时意味着这是个抽象地址，既然底层没有任何物理内存支持，尝试访问是违法的，况且里面也不能存储什么有效数据。（我知道有些小伙伴会忘记之前学过的指针知识，特意再详说）

其实在传的参数为指针时，当用户传来无效指针（空指针）野指针，代码里一旦对空指针解引用（例如：psl->arr[i],psl->size，其中psl是NULL，而->是对指针的解引用），程序就直接崩溃了；为了提高代码的健壮性，我们在函数的第一步对传过来的指针进行断言assert(指针)，如果为空，程序会直接终止，报错；并提醒我们发生何处断言错误。——可见，检验传参（指针）有效性，是很有必要的。

总结

Q&A： 数据结构是做什么的？ 计算机存储、组织数据的方式

            为什么有顺序表？为了方便管理一堆相同类型、数量且不一定的数据。

            方便体现在何处？动态数组和一些现成（现在方法都得自己敲出来实现，才能叫现成）的“增删查改”方法；与以前定长的数组相比，简单灵活得多