数据结构-数组(稀疏矩阵转置)和广义表

news2024/11/8 15:10:07

目录

  • 1、数组
      • 定义
    • 1)数组存储地址计算
      • 示例
        • ①行优先
        • ②列优先
    • 2)稀疏矩阵的转置
      • 三元组顺序表
        • 结构定义
      • ①普通矩阵转置
      • ②三元组顺序表转置稀疏矩阵
      • ③稀疏矩阵的快速转置
    • 3)十字链表
      • 结构定义
  • 2、广义表
      • 定义
    • 1)基本操作
      • ①GetHead
      • ②GetTail
    • 2)构造存储结构的两种方法
      • 表头表尾
        • 结构定义
    • 3)递归算法
      • ①求广义表深度
      • ②复制广义表
      • ③创建广义表

1、数组

定义

数组是一种用于存储多个相同类型数据的集合,其元素在内存中连续存放并按照一定的顺序排列。这种有序性和连续性使得数组在访问时具有较高的效率。数组的特点包括所有元素具有相同的数据类型、可以通过索引快速访问任意元素、支持各种操作如遍历和排序等,并且数组的定义和初始化方式在不同编程语言中有所不同。

1)数组存储地址计算

数组存储地址的计算主要依赖于数组的起始地址、元素的数据类型(即每个元素所占的字节数)以及元素的下标位置

一维数组的存储地址计算

首元素地址:假设一维数组A的首地址为L,且每个元素占用C个字节。则数组中任意元素A[i]的地址可以通过公式Loc(A[i]) = L + i * C来计算。
示例:如果数组A的首地址是1000,每个元素占4个字节,那么A[3]的地址就是1000 + 3 * 4 = 1012。

二维数组的存储地址计算

行优先存储:在行优先存储中,二维数组的元素按照行的顺序依次存储。对于二维数组B[m][n],元素B[i][j]的地址计算公式为Loc(B[i][j]) = Loc(B[0][0]) + (i * n + j) * C,其中C是每个元素占用的字节数。
列优先存储:在列优先存储中,二维数组的元素按照列的顺序依次存储。对于二维数组B[m][n],元素B[i][j]的地址计算公式为Loc(B[i][j]) = Loc(B[0][0]) + (j * m + i) * C。
示例:假设有一个3x4的二维数组B,按行优先存储,首地址为1000,每个元素占2个字节。那么B[2][3]的地址就是1000 + (2*4 + 3) * 2 = 1026。

多维数组的存储地址计算

对于更高维度的数组,地址计算方法类似,只是需要考虑更多维度的索引和步长。
例如,按行优先存储的三维数组D[m][n][p]的元素D[i][j][k]的地址计算公式为Loc(D[i][j][k]) = Loc(D[0][0][0]) + ((i * n * p + j * p + k) * C)。
列优先:Loc(D[i][j][k]) = Loc(D[0][0][0]) + (knm+j*m+i)*C

示例

数组A[9][3][5][8],首地址为100,每个元素占4个字节,求a[8][2][4][7]的地址

①行优先

100+(8358+258+48+7)*4

②列优先

100+(7539+439+29+8)*4

2)稀疏矩阵的转置

三元组顺序表

由于稀疏矩阵中含有大量的零元素,空间利用率很低,所以需要三元组顺序表来表示稀疏矩阵中的非零元素,它通过行优先的顺序将非零元素及其位置信息存储在一个线性表中,节省存储空间并简化运算

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

结构定义
typedef struct{
    int i,j;//该非零元的行下标和列下标
    ElemType e;
}Triple;
typedef struct{
    Triple data[MAXSIZE + 1];//非零元三元组表,data[0]未用
    int mu,nu,tu;//矩阵的行数、列数和非零元总数
TSMatrix;

①普通矩阵转置

for(col = 1;col <= nu;++col)
    for(row = 1;row <= mu;++row)
        T[col][row] = M[row][col];

②三元组顺序表转置稀疏矩阵

Status TransposeSMatrix(TSMatrix M, TSMatrix &T){
    //采用三元组表存储表示,求稀疏矩阵M的转置矩阵T
    T.mu = M.nu;  T.nu = M.mu;  T.tu = M.tu;
    if(T.tu){
        q = 1;
        for(col = 1; col <= M.nu; ++col)
            for(p = 1; p <= M.tu; ++p)
                if(M.data[p].j == col){
                    T.data[q].i = M.data[p].j;  T.data[q].j = M.data[p].i;
                    T.data[q].e = M.data[p].e;  ++q;
                }
    }
    return OK;
}//TransposeSMatrix

③稀疏矩阵的快速转置

如果能预先确定就诊M中每一列(即T中的每一行)的第一个非零元在b.data中应有的位置,那么在对a.data中的三元组一次作转置时,便可直接放到b.data中恰当的位置上去,提高运算效率。

为此,需要附设num和cpot两个向量。num[col]表示矩阵M中第col列中非零元的个数,cpot[col]指示M中第col列的第一个非零元在b.data中的恰当位置。显然有
cpot[1] = 1;
cpot[col] = cpot[col - 1] + num[col - 1], 2 <= col <= a.nu
在这里插入图片描述

接下来就可以利用num和cpot向量快速确定转置后各元素在三元组表中的位置,提高运行效率

Status FastTransposeSMatrix(TSMatrix M, TSMatrix &T){
    //采用三元组顺序表存储表示,求稀疏矩阵M的转置矩阵T
    T.mu = M.nu;  T.nu = M.mu;  T.tu = M.tu;
    if(T.tu){
        for(col = 1; col <= M.nu; ++col)
            num[col] = 0;
        for(t = 1; t <= M.tu; ++t)
            ++num[M.data[t].j];//求M中每一列含非零元个数
        cpot[1] = 1;
        //求第col列中第一个非零元在b.data中的序号
        for(col = 2; col <= M.nu; ++col)
            cpot[col] = cpot[col - 1] + num[col - 1];
        for(p = 1; p <= M.tu; ++p){
            col = M.data[p].j;  q = cpot[col];
            T.data[q].i = M.data[p].j;  T.data[q].j = M.data[p].i;
            T.data[q].e = M.data[p].e;  ++cpot[col];//当一列的第一个元素转置完成后,下一个需要转置的是三元组表的下一个位置
        }//for
    }//if
    return OK;
//FastTransposeSMatrix

3)十字链表

十字链表是一种用于表示稀疏矩阵的特殊存储结构,它通过行优先的顺序将非零元素及其位置信息存储在一个线性表中。每个节点包含五个字段:行号、列号、值、向下指针和向右指针,从而形成一个十字交叉的链表结构。这种结构不仅节省了存储空间,还提高了运算效率,并使得对稀疏矩阵的操作更加灵活和高效。

在这里插入图片描述

结构定义

typedef struct OLNode{
    int i,j;//该非零元的行和列下标
    ElemType e;
    struct OLNode *right,*down;//该非零元所在行表和列表的后继链域
}OLNode; *OLink;

typedef struct{
    OLink *rhead,*chead;
    int mu,nu,tu;//稀疏矩阵的行数、列数、非零元总数
}CrossList;

2、广义表

定义

广义表是一种非线性的数据结构,它允许表中的元素既可以是单个数据项(原子),也可以是另一个广义表。这种结构使得广义表能够表示复杂的嵌套关系和层次结构。广义表的特点包括其元素的多样性(可以是原子或其他广义表)、结构的灵活性(可以嵌套任意深度)以及操作的复杂性(如求表头、表尾等)。在存储上,广义表通常采用链式结构来表示,以方便处理其复杂的嵌套关系。

1)基本操作

①GetHead

获取广义表的第一个元素,可以是原子,可以是列表

②GetTail

除了广义表中第一个元素的所有其他元素的集合,无论该元素是什么,都需要在外面额外套上一个(),即使是空表,或该值本来就有()

该部分主要是在给出一个广义表时能正确获取表头和表尾

2)构造存储结构的两种方法

表头表尾

结构定义
typedef struct GLNode{
    ElemTag tag;//公共部分,用于区分原子结点和表结点
    union{//原子结点和表结点的联合部分
        AtomType atom;//atom是原子结点的值域,AtomType由用户定义
        struct{
            struct GLNode *hp,*tp;
        }ptr;//ptr是表结点的指针域,ptr.hp和[tr.tp分别指向表头和表尾
    };
}*GList;//广义表类型

示例:
A = ()
B = (e)
C = (a,(b,c,d))
D = (A,B,C)
E = (a,E)//递归表 E = (a,(a,(a,…)))
在这里插入图片描述

另一种方法我还没理解,就不在这里说了

3)递归算法

由于广义表的定义本身就具有一定的递归性,且其子表问题与其本身的问题具有极高相似度、关联性,所有递归算法与广义表操作具有极好的适配性

①求广义表深度

int GListDepth(GList L){
    //采用头尾链表存储结构,求广义表L的深度。
    if C!L) return 1// 空表深度1
    if (L—> tag == ATOM) return 0;// 原子深度 0
    for (max=0, pp=L; PP; pp=pp->ptr. tp) {
        dep = GListDepth(pp—>Ptr.hp);// 求以 pp—>ptr.hp 为头指针的子表深度
        if (dep > max) max = dep;
    }
    return max + 1//非空表的深度是各元素的深度的最大值+1
}// GListDepth

②复制广义表

Status CopyGList(GList &T, GList L) {
    // 采用头尾链表存储结构,由广义表L复制得到广义表T。
    if(!L)  T = NULL;// 复制空表
    else {
        if(!(T= (GList) malloc(sizeof(GL.Node))))exit(OVERFLOW);// 建表结点
        T -> tag = L -> tag;
        if (L—> tag == ATOM) T -> atom = L -> atom;// 复制单原子
        else {
            CopyGList(T-> ptr. hp, L->ptr. hp) ;// 复制广义表L->ptr.hp 的一个副本T->ptr.hp
            CopyGList(T—> ptr. tp, L->ptr. tp);// 复制广义表L->ptr.tp 的一个副本T->ptr.tp
        } // else
    } // else
    return OK;
}// CopyGList

③创建广义表

三种情况:

  1. 带括弧的空白串
  2. 长度为1的单字符串
  3. 长度>1的字符串

显然,前两种情况为递归的终结状态,子表为空表或只含一个原子结点,后一种情况为递归调用

Status CreateGList (GList &L, SString S) {
    //采用头尾链表存储结构,由广义表的书写形式串S创建广义表L。设 emp="()"
    if (StrCompare(S, emp))L=NULL//创建空表
    else {
        if (! (L = (GList) malloc (sizeof (GLNode)))) exit (OVERFLOW); //建表结点
        if (StrLength(S)==1){L->tag = ATOM; L->atom =S;}// 创建单原子广义表
        else {
            L->tag = LIST; p = L;
            SubString (sub, S, 2, Strength(S)2) ;// 脱外层括号
            do// 重复建n 个子表
                sever(sub,hsub);// 从 sub中分离出表头串hsub
                CreateGList(p->ptr. hp,hsub);q = p;
                if (!StrEmpty(sub)){// 表尾不空
                    if (!(p = (GLode * ) malloc (sizeof (GLNode))))
                        exit (OVERFLOW) ;
                    p->tag = LIST; q->ptr.tp = p;
                }//if
            }while (! StrEmpty (sub)) ;
            q—>ptr. tp = NULL;
        }//else
    } // else
    return OK;
}// CreateGList

Status sever(SString &str, SString &hstr) {
    // 将非空串 str 分割成两部分:hsub 为第一个‘,’之前的子串,str 为之后的子串
    n= StrLength(str); i=0;k=0//k记尚未配对的左括号个数
    do {// 搜索最外层的第一个逗号
        ++i;
        SubString(ch, str,i,1);
        if(ch =='(')  十十k;
        else if (ch==‘)’)  --k;
    } while (i<n && (ch! =','|| k! =0));
    if (i<n)
    {
        SubString (hstr, str, 1, i—1)SubString(str, str, i+1, n—i)} 
    else 
    {
        StrCopy (hstr, str); 
        ClearString(str) 
    }
} // sever

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