數據結構和算法(Golang實現)(8.1)基礎知識-前言

時間 2020-05-10

標籤數據結構算法 golang 實現 8.1 基礎知識前言欄目 Go 简体版

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基礎知識

學習數據結構和算法。咱們要知道一些基礎的知識。算法

1、什麼是算法

算法（英文algorithm）這個詞在中文裏面博大精深，表示算帳的方法，也能夠表示指揮若定的計謀等。在計算機科技裏，它表示什麼呢？編程

計算機，顧名思義是用來計算的機器。算法在計算機科學中能夠描述爲：計算機接收一個輸入指令，而後進行一個過程處理，最後輸出計算的結果。segmentfault

這種輸入-過程處理-輸出，用人類的行爲模式，很容易理解，好比媽媽讓小明去打醬油，打醬油的命令是輸入，小明發現小區周邊有5家店有醬油出售，娟娟超市是離家最近的，而子龍雜貨店雖然離得最遠，但醬油很便宜。小明爲了省錢，跑到最遠的子龍雜貨店買了醬油，而後順利回到了家，交給了媽媽。買醬油的過程就是處理，而給媽媽的醬油是輸出。
小明爲何不去最近的娟娟超市，而去了最遠的子龍雜貨店，這是小明腦殼裏思考後產生的最佳方案。固然，如今買醬油能夠經過外賣軟件，小明能夠打開美團外賣軟件，搜索關鍵字：醬油，而後點擊篩選，離家最近的和最便宜的，而後選擇最便宜的醬油下單。數組

買醬油的過程 = 美團外賣軟件下單的過程。數據結構

人類在幾千年的演化中，會進行數字運算了，會進行利益權衡了，而後造了機器，將本身的行爲模式，賦予了機器，解放了自身。若是人類真正瞭解人腦神經元的信息傳遞過程，甚至可能造出有自我意識的機器，但這種場景仍然只能在科幻電影中看到。併發

因此，這個邏輯過程，或行爲模式，在計算機裏面映射的是算法。機器學習

用更準確的描述來講：算法是一種有限，肯定，有效的並適合用計算機程序來實現的，用來解決問題的方法。首先，有一個問題，而後有一個方法去解決它，這個方法叫算法。數據結構和算法

算法是有限的，就是算法的步驟是有限的，執行的時間也是有限的，可以在有限時間內得出結果。算法是肯定的，就是不管執行多少次，計算得出的結果都同樣。算法是有效的，就是計算出的結果對解決問題有幫助。編程語言

然而算法的定義一直被刷新，由於機器學習的出現，基於海量超大規模數據，機器學習算法的步驟是無限的，能夠一直計算下去，每次計算的結果也不同，但若是人爲進行步驟限制，以及增長訓練閾值，訓練時得出的參數超過設定的閾值立刻中止運算，倒也符合以上的定義。函數

算法要在有限的時間內完成，自己是對人類的一種負擔，由於人類造出的機器還不夠強。爲何呢？由於即便算法的步驟是有限的，執行的時間也可能特別長。

正如《從一到無窮大》書中印度教聖地貝拿勒斯神廟下的三根寶石針，印度教主神焚天說過，誰能夠把第一根寶石針的64塊金片經過第二根寶石針移到第三根，焚天塔，神廟，婆羅門將化爲灰燼，這是有名的漢諾塔算法。

漢諾塔問題能夠描述爲：

有三根杆(編號A、B、C)，在A杆自下而上、由大到小按順序放置64個金盤(以下圖)。遊戲的目標：把A杆上的金盤所有移到C杆上，並仍保持原有順序疊好。

操做規則：每次只能移動一個盤子，而且在移動過程當中三根杆上都始終保持大盤在下，小盤在上，操做過程當中盤子能夠置於A、B、C任一杆上。

咱們很天然想到一個算法：

咱們必須先借助C杆，將A杆前面N-1個盤子，移動到B杆後，將A杆剩下的一個盤子，直接移動到C杆，這時候A空了。
而後藉助A杆，將B杆的N-1個盤子，移動到C杆，任務就完成了。

十分樸素的思路，咱們用編程語言來實現：

package main

import "fmt"

var total = 0

// 漢諾塔
// 一開始A杆上有N個盤子，B和C杆都沒有盤子。
func main() {
    n := 4   // 64 個盤子
    a := "a" // 杆子A
    b := "b" // 杆子B
    c := "c" // 杆子C
    tower(n, a, b, c)

    // 當 n=1 時，移動次數爲 1
    // 當 n=2 時，移動次數爲 3
    // 當 n=3 時，移動次數爲 7
    // 當 n=4 時，移動次數爲 15
    fmt.Println(total)
}

// 表示將N個盤子，從 a 杆，藉助 b 杆移到 c 杆
func tower(n int, a, b, c string) {
    if n == 1 {
        total = total + 1
        fmt.Println(a, "->", c)
        return
    }

    tower(n-1, a, c, b)
    total = total + 1
    fmt.Println(a, "->", c)
    tower(n-1, b, a, c)
}

經過概括，咱們能夠知道移動次數Total(N)的關係是Total(N)=2*Total(N-1)+1，每多一個盤子，移動次數就會翻倍加一，咱們經過相關的數列數學方法能夠知道Total(N)=2^N-1，也就是移動次數是一個指數方程:2的N次方,指數等於盤子的數量。

咱們計算出2^64-1=18446744073709551615，能夠知道一我的日夜不停，一秒移動一次：18446744073709551615/3600/24/365/100000000=5849，要5849億年時間才能夠完成這件事，那時候世界確實可能已經毀滅。

在計算機科學中，由於全部的算法都是人定義的規則，規則是死的，因此不要擔憂學不會。當你學會了這些算法，你將會以爲，哇，一切都那麼簡單。

2、什麼是數據結構

數據結構，顧名思義就是存放數據的結構，也能夠認爲是存放數據的容器。好比，你要找出1000個數字中的最大值，首先你要將1000個數字記在某些卡片上，而後對卡片進行排序。

大多數算法都須要組織數據，因此產生了數據結構。數據結構在計算機中，主要是用來實現各類算法的基礎，固然數據結構自己也是算法的一部分。

基本的數據結構有：鏈表，棧和隊列，樹和圖。

鏈表，就是把數據連接起來，關聯起來，一個數據節點指向另一個數據節點，像天然界的一條條鐵鏈，大部分數據結構，都是由鏈表的若干變種來表示。
在每種編程語言中，數組做爲基本數據類型提供，數組是連續的內存存儲空間，經過下標0，1，2能夠迅速獲取到數組指定位置的數據。鏈表也能夠用數組來實現，但通常狀況下，由於數組是連續的，在鏈表增長和刪除節點時容易形成冗餘，效果不佳。因此鏈表在不一樣編程語言實現是這樣的：C、C++是用指針來實現的，Java是用類來實現的，而Golang是用結構體引用來實現。

棧和隊列，主要用來存儲多個數據，只不過一個是先進後出，一個先進先出。好比下壓棧，先入棧的數據是最後才能出來，而咱們熟知的隊列，先排隊的人確定先得到服務。

其次是樹和圖，樹就是有一個樹根節點，存放着數據，下面有不少子節點，也存放着數據，類比天然界的樹。圖則能夠類比天然界的地圖，多個點指向多個點，點和點之間有一條或多條邊，而這些點存放着數據，邊也能夠存放着數據，好比距離等。

圍繞這幾種數據結構，有若干延伸，加上一些排序，查找邏輯，就造成了更高層次的高級數據結構。

數據結構是算法實現的輔助，是爲了更高效組織數據的結構，因此數據結構和算法其實密切聯繫，並不須要分得太清，你們能夠把數據結構等同於算法。