數據結構與算法學習：數組和鏈表

數組

數組是一個線性表數據結構。它用一段連續的內存地址空間，來存儲一些相同類型的數據。 從上面的定義，咱們不難看出幾個關鍵詞。

線性表：顧名思義，線性表就是數據排列成一條線的數據結構。每個線性表只有先後兩個方向。隊列、鏈表、數組、棧都是線性表結構。

連續的內存空間和相同類型的數據：正是由於有了這兩個限制，才使數組有了，能夠根據數組的下標隨機訪問的特性。可是也由於連續的內存空間的限制，致使數組在進行刪除和插入操做的時候，很是的低效。

如何進行數組的隨機訪問？

首先咱們定義一個數組是，例如：int[] a=new int[10],當咱們定義的時候，計算機會給數組a[]分配一塊連續的內存地址。當我經過數組下標去訪問時，計算機會經過尋址公式a[i]_address = base_address + i * data_type_size計算出數據在內存中的地址，進行訪問。其中，base_address是內存首地址，data_type_size表示數組每一個元素的大小。好比：啊a[]是int類型，因此data_type_size，就是4個字節。

數組的插入和刪除

爲了保證數組的連續內存空間性，在對中間的元素進行插入和刪除的時候，須要將數組中其餘元素移動位置。這樣的作法會浪費一些性能，與鏈表的插入和刪除相比，十分低效。

在一個有序的數組中，往下標爲3的位置插入元素，須要將下標4到末尾的數據總體向後挪移。若是在一個無序的數組中，往下標爲3的位置插入元素，最好的辦法是將下標爲3的元素放到數組的末尾，在將元素插入，減小元素挪到帶來的性能損耗。

和插入相似，刪除數組中的一個元素，爲了保證內存空間的連續性，須要進行數據的挪移。咱們也能夠記錄下每次刪除的元素，但不真正的去刪除挪移元素，到數組已經滿了之後，在進行一次進行數據的刪除挪移。這樣能夠大大減小元素搬移帶來的性能消耗。有點像垃圾回收機制。

數組和容器

在JAVA中提供了數組的類型的容器,好比：ArrayList。那麼數組和ArrayList有哪些優缺點呢？

ArrayList最大的優勢是將數組的插入、刪除和查詢等一些操做進行了封裝，在使用的時候不須要考慮元素的搬移。另外一個比較大的優勢是，ArrayList支持動態擴容。因爲在數組在定義的時候，計算機須要根據數組的大小分配一塊連續的內存空間，因此須要提早定義數組的大小。ArrayList在底層進行了自動擴容實現，當元素大於ArrayList大小時，它會將空間擴大到1.5倍大小，而後將數據複製到新的數組。

鏈表

鏈表是一種物理存儲單元上非連續、非順序的存儲結構，不須要一塊連續的內存空間，他經過鏈表的指針有次序的將零散的內存空間鏈接。最多見的鏈表結構有：單鏈表、雙向鏈表和循環鏈表。

單鏈表

單鏈表顧名思義，它的鏈表方向是單向的，對於鏈表的訪問只能從頭部開始，這也致使了鏈表的查詢效率低下。

上圖是一個單向鏈表，它有兩個結點比較特殊，一個是第一個結點，叫頭結點，用來記錄鏈表的基結點；另外一個是最後一個結點，叫尾結點，它比較特殊，並非指向下一個結點，而是指向一個NULL地址。

插入和刪除

從上面數組咱們知道，因爲內存空間連續的限制，元素刪除和插入須要數據搬移。可是鏈表的內存空間不須要連續，因此它的插入和刪除操做十分的高效。

對於鏈表的查詢，咱們只須要相鄰結點的指針變化。

上圖是一個單向鏈表的刪除過程，從圖上咱們能夠知道，將鏈表中的元素刪除，將這個元素刪除，而後，在將前結點的Next指針，指向它的後結點就OK了，十分的高效。插入操做也是相似，將前結點的Next指針指向，插入的元素，將插入的指針，指向它。

循環鏈表

循環鏈表是一種特殊的單鏈表。它與單鏈表的惟一區別是，尾結點的Next指針不是指向一個Null地址，而是，指向了鏈表的頭結點，造成了一個閉環，達到了循環的目的。其實確切的說這是一種單向循環鏈表。

雙向鏈表

與上面的單鏈表不一樣，雙向鏈表元素之間是雙向的，表現形式也比單鏈表複雜一點。它的每個結點不止有後繼指針Next，還有一個前驅指針Pre。從這一點可知，一個雙向鏈表的結點比單向鏈表多一個前驅指針，這也意味着它的每個結點須要更多的空間去存儲前驅指針。

插入和刪除操做與單向鏈表相似，只須要處理好前驅指針和後繼指針的指向。

單鏈表和雙向鏈表對比

咱們知道，單向鏈表想要刪除一個元素，須要從頭部開始查詢直到找到該元素，而後進行刪除，指針重新指向，在這一點上雙向鏈表和單向鏈表是一致的。可是咱們若是想要刪除一個元素的前驅結點，單向鏈表由於沒有前驅指針，須要再從頭遍歷，消耗時間，雙向鏈表就能夠直接找到前驅結點，並刪除。

其實這是一種空間換時間的思路。使用了雙向鏈表佔用了多的空間，節約了時間。這種在咱們內存足夠的狀況下，優化算法的執行時間有很好的的幫助。

數組與鏈表的對比

因爲內存空間連續性的不一樣，鏈表適合插入、刪除操做，而數組則更加適合根據下標的查詢。

最後，本文爲學習記錄文，但願能夠堅持下去。