概述
数据结构是计算机科学中用于存储、组织和管理数据的方式。C++ 提供了多种内置数据结构和容器，同时也支持用户自定义数据结构，以适应不同应用场景。掌握数据结构能够帮助我们提高程序的效率、降低时间和空间复杂度，并编写高效、可维护的代码。
1. 内置数据结构与基本数据类型
- 数组（Array）
- 固定大小的连续存储结构，适合随机访问。
- C++ 中有 C 风格数组（
int arr[10];）和 STL 的std::array（固定大小数组）。
- 指针与引用
- 指针和引用用于动态内存管理和间接访问数据，是构建链表、树等数据结构的基础。
2. STL 容器（Standard Template Library Containers）
STL 提供了丰富的数据结构容器，常用的包括：
- 序列容器
std::vector：动态数组，支持随机访问和尾部插入删除操作。std::deque：双端队列，支持在两端高效插入删除。std::list：双向链表，适合频繁的插入和删除操作，但随机访问较慢。std::forward_list：单向链表，内存占用更少。
- 关联容器
std::set和std::multiset：基于红黑树实现的集合，自动排序并去重或允许重复元素。std::map和std::multimap：键值对存储，基于平衡二叉搜索树，支持按键快速查找。std::unordered_set和std::unordered_map：基于哈希表实现，查找和插入操作平均时间复杂度为 O(1)。
- 适配器容器
std::stack：基于 deque 或 list 实现的栈（后进先出，LIFO）。std::queue：基于 deque 实现的队列（先进先出，FIFO）。std::priority_queue：基于堆实现的优先队列，自动按照元素优先级排序。
3. 自定义数据结构
在实际开发中，根据具体问题需求可能需要实现特定的数据结构。常见的自定义数据结构包括：
- 链表（Linked List）
- 单向链表、双向链表：适用于需要频繁插入删除的场景。
- 循环链表：尾部连接到头部，形成循环结构。
- 树（Tree）
- 二叉树、二叉搜索树（BST）：适合实现排序、查找、遍历等操作。
- 平衡树（如 AVL 树、红黑树）：保证树的平衡性，提供更高效的查找和插入删除操作。
- 堆（Heap）：常用作优先队列，支持快速获取最大值或最小值。
- 图（Graph）
- 顶点和边构成的结构，用于表示网络、路线图、社交关系等。
- 表示方式有邻接矩阵、邻接表和边集列表等。
- 哈希表（Hash Table）
- 支持平均 O(1) 时间复杂度的查找、插入和删除操作。
- STL 的
std::unordered_map和std::unordered_set就是哈希表的应用。
4. 算法与数据结构的结合
- 数据结构与算法密切相关，常见算法（如排序、查找、遍历）往往依赖于合适的数据结构来实现高效性能。
- STL 提供了大量的算法（如
std::sort、std::find、std::accumulate等），它们可以与容器无缝结合，帮助快速实现复杂操作。
5. 示例：自定义单向链表
下面是一个简单的单向链表实现示例：
#include <iostream>
using namespace std;
// 定义链表节点
struct Node {
int data;
Node* next;
};
// 创建新节点
Node* createNode(int value) {
Node* newNode = new Node;
newNode->data = value;
newNode->next = nullptr;
return newNode;
}
// 在链表头部插入新节点
void insertAtHead(Node*& head, int value) {
Node* newNode = createNode(value);
newNode->next = head;
head = newNode;
}
// 遍历链表并输出数据
void printList(Node* head) {
Node* current = head;
while (current != nullptr) {
cout << current->data << " ";
current = current->next;
}
cout << endl;
}
// 释放链表内存
void freeList(Node* head) {
while (head) {
Node* temp = head;
head = head->next;
delete temp;
}
}
int main() {
Node* head = nullptr; // 初始化空链表
insertAtHead(head, 10);
insertAtHead(head, 20);
insertAtHead(head, 30);
cout << "链表内容：";
printList(head);
freeList(head);
return 0;
}
输出：
链表内容：30 20 10
参考资料
总结
C++ 提供了丰富的数据结构支持，从内置数组到 STL 容器，再到自定义链表、树和图等高级数据结构。理解和掌握各种数据结构的特点及其适用场景，不仅有助于选择最佳的数据存储方式，还能提高算法效率，从而编写出高效、健壮的程序。
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