顺序表与链表是非常基本的数据结构,它们可以被统称为线性表。
线性表(Linear List)是由 n(n≥0)个数据元素(结点)a[0],a[1],a[2]…,a[n-1] 组成的有限序列。
顺序表和链表,是线性表的不同存储结构。它们各自有不同的特点和适用范围。针对它们各自的缺点,也有很多改进的措施。
一、顺序表
顺序表一般表现为数组,使用一组地址连续的存储单元依次存储数据元素,如图 1 所示。它具有如下特点:
- 长度固定,必须在分配内存之前确定数组的长度。
- 存储空间连续,即允许元素的随机访问。
- 存储密度大,内存中存储的全部是数据元素。
- 要访问特定元素,可以使用索引访问,时间复杂度为 O(1)O(1)。
- 要想在顺序表中插入或删除一个元素,都涉及到之后所有元素的移动,因此时间复杂度为 O(n)O(n)。
图 1 顺序表
顺序表最主要的问题就是要求长度是固定的,可以使用倍增-复制的办法来支持动态扩容,将顺序表变成“可变长度”的。
具体做法是初始情况使用一个初始容量(可以指定)的数组,当元素个数超过数组的长度时,就重新申请一个长度为原先二倍的数组,并将旧的数据复制过去,这样就可以有新的空间来存放元素了。这样,列表看起来就是可变长度的。
一个简单的实现如下所示,初始的容量为 4。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 | #include <string.h> struct sqlist { int *items, size, capacity; sqlist():size(0), capacity(4) { // initial capacity = 4 items = new int [capacity]; } void doubleCapacity() { capacity *= 2; int * newItems = new int [capacity]; memcpy (newItems, items, sizeof ( int )*size); delete [] items; items = newItems; } void add( int value) { if (size >= capacity) { doubleCapacity(); } items[size++] = value; } }; |
这个办法不可避免的会浪费一些内存,因为数组的容量总是倍增的。而且每次扩容的时候,都需要将旧的数据全部复制一份,肯定会影响效率。不过实际上,这样做还是直接使用链表的效率要高,具体原因会在下一节进行分析。
二、链表
链表,类似它的名字,表中的每个节点都保存有指向下一个节点的指针,所有节点串成一条链。根据指针的不同,还有单链表、双链表和循环链表的区分,如图 2 所示。
图 2 链表
单链表是只包含指向下一个节点的指针,只能单向遍历。
双链表即包含指向下一个节点的指针,也包含指向前一个节点的指针,因此可以双向遍历。
循环单链表则是将尾节点与首节点链接起来,形成了一个环状结构,在某些情况下会非常有用。
还有循环双链表,与循环单链表类似,这里就不再赘述。
由于链表是使用指针将节点连起来,因此无需使用连续的空间,它具有以下特点:
- 长度不固定,可以任意增删。
- 存储空间不连续,数据元素之间使用指针相连,每个数据元素只能访问周围的一个元素(根据单链表还是双链表有所不同)。
- 存储密度小,因为每个数据元素,都需要额外存储一个指向下一元素的指针(双链表则需要两个指针)。
- 要访问特定元素,只能从链表头开始,遍历到该元素,时间复杂度为 O(n)O(n)。
- 在特定的数据元素之后插入或删除元素,不涉及到其他元素的移动,因此时间复杂度为 O(1)O(1)。双链表还允许在特定的数据元素之前插入或删除元素。
在上一节说到,利用倍增-复制的办法,同样可以让顺序表长度可变,而且效率比链表还要好,下面就简单的实现一个单链表来验证这一点,至于元素插入的顺序就不要在意了。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 | #include <stdio.h> #include <time.h> struct node { int value; node *next; }; struct llist { node *head; void add( int value) { node *newNode = new node(); newNode->value = value; newNode->next = head; head = newNode; } }; int main() { int size = 100000; sqlist list1; llist list2; long start = clock (); for ( int i = 0;i < size;i++) { list1.add(i); } long end = clock (); printf ( "sequence list: %d\n" , end - start); start = clock (); for ( int i = 0;i < size;i++) { list2.add(i); } end = clock (); printf ( "linked list: %d\n" , end - start); return 0; } |
在我的电脑上,链表的耗时大约是顺序表的 4~8 倍。会这样,是因为数组只需要很少的几次大块内存分配,而链表则需要很多次小块内存分配,内存分配操作相对是比较慢的,因而大大拖慢了链表的速度。这也是为什么会出现内存池。
因此,链表并不像理论分析的那样美好,在实际应用中要受很多条件制约,一般情况下还是安心用顺序表的好。