C語言公共基礎知識

第一章 數據結構與演算法

1.1 演算法

1．演算法的基本概念

(1) 概念：演算法是指一系列解決問題的清晰指令。

(2) 4個基本特徵：可行性、確定性、有窮性、擁有足夠的情報。

(3) 兩種基本要素：對數據對象的運算和操作、演算法的控制結構(運算和操作時問的順序)。

(4) 設計的基本方法：列舉法、歸納法、遞推法、遞歸法、減半遞推技術和回溯法。

2．演算法的複雜度

(1) 演算法的時間複雜度：執行演算法所需要的計算工作量。

(2) 演算法的空間複雜度：執行演算法所需的內存空間。

1.2 數據結構的基本概念

數據結構指相互有關聯的數據元素的集合，即數據的組織形式。其中邏輯結構反映數據元素之間邏輯關係；存儲結構為數據的邏輯結構在計算機存儲空間中的存放形式，有順序存儲、鏈式存儲、索引存儲和散列存儲4種方式。

數據結構按各元素之間前後件關係的複雜度可劃分為：

(1) 線性結構：有且只有一個根節點，且每個節點最多有一個直接前驅和一個直接後繼的非空數據結構。

(2) 非線性結構：不滿足線性結構的數據結構。

1.3 線性表及其順序存儲結構

1．線性表的基本概念

線性結構又稱線性表，線性表是最簡單也是最常用的一種數據結構。

2．線性表的順序存儲結構

? 元素所佔的存儲空間必須連續。

? 元素在存儲空間的位置是按邏輯順序存放的。

3．線性表的插入運算

在第i個元素之前插入一個新元素的步驟如下：

步驟一：把原來第n個節點至第i個節點依次往後移一個元素位置。

步驟二：把新節點放在第i個位置上。

步驟三：修正線性表的節點個數。

在最壞情況下，即插入元素在第一個位置，線性表中所有元素均需要移動。

4．線性表的刪除運算

刪除第i個位置的元素的步驟如下：

步驟一：把第i個元素之後不包括第i個元素的n-i個元素依次前移一個位置；

步驟二：修正線性表的結點個數。

1.4 棧和隊列

1．棧及其基本運算

(1) 基本概念：棧是一種特殊的線性表，其插入運算與刪除運算都只在線性表的一端進行，也被稱為"先進後出"表或"後進先出"表。

?棧頂：允許插入與刪除的一端。

?棧底：棧頂的另一端。

?空棧：棧中沒有元素的棧。

(2) 特點。

? 棧頂元素是最後被插入和最早被刪除的元素。

? 棧底元素是最早被插入和最後被刪除的元素。

? 棧有記憶作用。

? 在順序存儲結構下，棧的插入和刪除運算不需移動表中其他數據元素。

? 棧頂指針top動態反映了棧中元素的變化情況

(3) 順序存儲和運算：入棧運算、退棧運算和讀棧頂運算。

2．隊列及其基本運算

(1) 基本概念：隊列是指允許在一端進行插入，在另一端進行刪除的線性表，又稱"先進先出"的線性表。

? 隊尾：允許插入的一端，用尾指針指向隊尾元素。

? 排頭：允許刪除的一端，用頭指針指向頭元素的前一位置。

(2) 循環隊列及其運算。

所謂循環隊列，就是將隊列存儲空間的最後一個位置繞到第一個位置，形成邏輯上的環狀空間。

入隊運算是指在循環隊列的隊尾加入一個新元素。

當循環隊列非空(s=1)且隊尾指針等於隊頭指針時，說明循環隊列已滿，不能進行人隊運算，這種情況稱為"上溢"。

退隊運算是指在循環隊列的隊頭位置退出一個元素並賦給指定的變數。首先將隊頭指針進一，然後將排頭指針指向的元素賦給指定的變數。當循環隊列為空(s=0)時，不能進行退隊運算，這種情況稱為"下溢"。

1.5 線性鏈表

在定義的鏈表中，若只含有一個指針域來存放下一個元素地址，稱這樣的鏈表為單鏈表或線性鏈表。

在鏈式存儲方式中，要求每個結點由兩部分組成：一部分用於存放數據元素值，稱為數據域；另一部分用於存放指針，稱為指針域。其中指針用於指向該結點的前一個或後一個結點(即前件或後件)。

1.6 樹和二叉樹

1．樹的基本概念

樹是簡單的非線性結構，樹中有且僅有一個沒有前驅的節點稱為"根"，其餘節點分成m個互不相交的有限集合T1，T2，…，T}mm，每個集合又是一棵樹，稱T1，T2，…，T}mm為根結點的子樹。

? 父節點：每一個節點只有一個前件，無前件的節點只有一個，稱為樹的根結點(簡稱樹的根)。

? 子節點：每～個節點可以後多個後件，無後件的節點稱為葉子節點。

? 樹的度：所有節點最大的度。

? 樹的深度：樹的最大層次。

2．二叉樹的定義及其基本性質

(1) 二叉樹的定義：二叉樹是一種非線性結構，是有限的節點集合，該集合為空(空二叉樹)或由一個根節點及兩棵互不相交的左右二叉子樹組成。可分為滿二叉樹和完全二叉樹，其中滿二叉樹一定是完全二叉樹，但完全二叉樹不一定是滿二叉樹。二叉樹具有如下兩個特點：

? 二叉樹可為空，空的二叉樹無節點，非空二叉樹有且只有一個根結點；

? 每個節點最多可有兩棵子樹，稱為左子樹和右子樹。

(2) 二叉樹的基本性質。

性質1：在二叉樹的第k層上至多有2k-1個結點(k≥1)。

性質2：深度為m的二叉樹至多有2m-1個結點。

性質3：對任何一棵二叉樹，度為0的結點(即葉子結點)總是比度為2的結點多一個。

性質4：具有n個結點的完全二叉樹的深度至少為[log2n]+1，其中[log2n]表示log2n的整數部分。

3．滿二叉樹與完全二叉樹

(1) 滿二叉樹：滿二叉樹是指這樣的一種二叉樹：除最後一層外，每一層上的所有結點都有兩個子結點。滿二叉樹在其第i層上有2i-1個結點。

從上面滿二叉樹定義可知，二叉樹的每一層上的結點數必須都達到最大，否則就不是滿二叉樹。深度為m的滿二叉樹有2m-1個結點。

(2) 完全二叉樹：完全二叉樹是指這樣的二叉樹：除最後一層外，每一層上的結點數均達到最大值；在最後一層上只缺少右邊的若干結點。

如果—棵具有n個結點的深度為k的二叉樹，它的每—個結點都與深度為k的滿二叉樹中編號為1～n的結點——對應。

3．二叉樹的存儲結構

二叉樹通常採用鏈式存儲結構，存儲節點由數據域和指針域(左指針域和右指針域)組成。二叉樹的鏈式存儲結構也稱二叉鏈表，對滿二叉樹和完全二叉樹可按層次進行順序存儲。

4．二叉樹的遍歷

二叉樹的遍歷是指不重複地訪問二叉樹中所有節點，主要指非空二叉樹，對於空二叉樹則結束返回。二叉樹的遍歷包括前序遍歷、中序遍歷和後序遍歷。

(1) 前序遍歷。

前序遍歷是指在訪問根結點、遍歷左子樹與遍歷右子樹這三者中，首先訪問根結點，然後遍歷左子樹，最後遍歷右子樹；並且，在遍歷左右子樹時，仍然先訪問根結點，然後遍歷左子樹，最後遍歷右子樹。前序遍歷描述為：若二叉樹為空，則執行空操作；否則訪問根結點；前序遍歷左子樹；前序遍歷右子樹。

(2) 中序遍歷。

中序遍歷是指在訪問根結點、遍歷左子樹與遍歷右子樹這三者中，首先遍歷左子樹，然後訪問根結點，最後遍歷右子樹；並且，在遍歷左、右子樹時，仍然先遍歷左子樹，然後訪問根結點，最後遍歷右子樹。中序遍歷描述為：若二叉樹為空，則執行空操作；否則中序遍歷左子樹；訪問根結點；中序遍歷右子樹。

(3) 後序遍歷。

後序遍歷是指在訪問根結點、遍歷左子樹與遍歷右子樹這三者中，首先遍歷左子樹，然後遍歷右子樹，最後訪問根結點，並且，在遍歷左、右子樹時，仍然先遍歷左子樹，然後遍歷右子樹，最後訪問根結點。後序遍歷描述為：若二叉樹為空，則執行空操作；否則後序遍歷左子樹；後序遍歷右子樹；訪問根結點。

1.7 查找技術

(1) 順序查找：在線性表中查找指定的元素。

(2) 最壞情況下，最後一個元素才是要找的元素，則需要與線性表中所有元素比較，比較次數為n。

(3) 二分查找：二分查找也稱折半查找，它是一種高效率的查找方法。但二分查找有條件限制，它要求表必須用順序存儲結構，且表中元素必須按關鍵字有序(升序或降序均可)排列。對長度為n的有序線性表，在最壞情況下，二分查找法只需比較log2n次。

1.8 排序技術

(1) 交換類排序法。

? 冒泡排序：通過對待排序序列從後向前或從前向後，依次比較相鄰元素的排序碼，若發現逆序則交換，使較大的元素逐漸從前部移向後部或較小的元素逐漸從後部移向前部，直到所有元素有序為止。在最壞情況下，對長度為n的線性表排序，冒泡排序需要比較的次數為n(n-1)/2。

? 快速排序：是迄今為止所有內排序演算法中速度最快的一種。它的基本思想是：任取待排序序列中的某個元素作為基準(一般取第一個元素)，通過一趟排序，將待排元素分為左右兩個子序列，左子序列元索的排序碼均小於或等於基準元素的排序碼，右子序列的排序碼則大於基準元素的排序碼，然後分別對兩個子序列繼續進行排序，直至整個序列有序。最壞情況下，即每次劃分，只得到一個序列，時間效率為O(n2)。

(2) 插人類排序法。

? 簡單插入排序法：把n個待排序的元素看成為一個有序表和一個無序表，開始時有序表中只包含一個元素，無序表中包含有n-1個元素，排序過程中每次從無序表中取出第一個元素，把它的排序碼依次與有序表元素的排序碼進行比較，將它插入到有序表中的適當位置，使之成為新的有序表。在最壞情況下，即初始排序序列是逆序的情況下，比較次數為n(n-1)/2，移動次數為n(n-1)/2。

? 希爾排序法：先將整個待排元素序列分割成若干個子序列(由相隔某個"增量"的元素組成的)分別進行直接插入排序。待整個序列中的元素基本有序(增量足夠小)時，再對全體元素進行一次直接插入排序。

(3) 選擇類排序法。

? 簡單選擇排序法：掃描整個線性表。從中選出最小的元素。將它交換到表的最前面；然後對剩下的子表採用同樣的方法，直到子表空為止。最壞情況下需要比較n(n-1)/2次。

? 堆排序的方法：首先將一個無序序列建成堆；然後將堆頂元素(序列中的最大項)與堆中最後一個元素交換(最大項應該在序列的最後)。不考慮已經換到最後的那個元素，只考慮前n-1個元素構成的子序列，將該子序列調整為堆。反覆做步驟，直到剩下的子序列空為止。在最壞情況下，堆排序法需要比較的次數為0(nlog2n)

1 程序設計方法與風格

(1)設計方法：指設計、編製、調試程序的方法和過程，主要有結構化程序設計方法、軟體工程方法和面向對象方法。

(2)設計風格：良好的設計風格要注重源程序文檔化、數據說明方法、語句的結構和輸入輸出。

2 結構化程序設計

1．結構化程序設計的原則

結構化程序設計強調程序設計風格和程序結構的規範化，提倡清晰的結構。

(1)自頂向下：即先考慮總體，後考慮細節；先考慮全局目標，後考慮局部目標。

(2)逐步求精：對複雜問題，應設計一些子目標做過渡，逐步細化。

(3)模塊化：把程序要解決的總目標分解為分目標，再進一步分解為具體的小目標，把每個小目標稱為一個模塊；

(4)限制使用GOT0語句。

2．結構化程序的基本結構與特點

(1)順序結構：自始至終嚴格按照程序中語句的先後順序逐條執行，是最基本、最普遍的結構形式。

(2)選擇結構：又稱為分支結構，包括簡單選擇和多分支選擇結構。

(3)重複結構：又稱為循環結構，根據給定的條件，判斷是否需要重複執行某一相同的或類似的程序段。

結構化程序設計中，應注意事項：

(1)使用程序設計語言中的順序、選擇、循環等有限的控制結構表示程序的控制邏輯。

(2)選用的控制結構只准許有一個人口和一個出口。

(3)程序語言組成容易識別的塊，每塊只有一個入口和一個出口。

(4)複雜結構應該用嵌套的基本控制結構進行組合嵌套來實現。

(5)語言中所沒有的控制結構，應該採用前後一致的方法來模擬。

(6)盡量避免GOT0語句的使用。

2.3 面向對象的程序設計

面向對象方法的本質是主張從客觀世界固有的事物出發來構造系統，強調建立的系統能映射問題域。

? 對象：用來表示客觀世界中任何實體，可以是任何有明確邊界和意義的東西。

? 類：具有共同屬性、共同方法的對象的集合。

? 實例：一個具體對象就是其對應分類的一個實例。

? 消息：實例間傳遞的信息，它統一了數據流和控制流。

? 繼承：使用已有的類定義作為基礎建立新類的定義技術。

? 多態性：指對象根據所接受的信息而作出動作，同樣的信息被不同的對象接收時有不同行動的現象。面向對象程序設計的優點：與人類習慣的思維方法一致、穩定性好、可重用性好、易於開發大型軟體產品、可維護性好。

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