C++ 数据结构
C++ 提供了多种数据结构,既有基础的如数组、结构体、类等,也有高级的 STL 容器如 vector、map 和 unordered_map 等。
下面详细介绍 C++ 中常用的数据结构及其特点和用法。
1. 数组(Array)
数组是最基础的数据结构,用于存储一组相同类型的数据。
特点:
- 固定大小,一旦声明,大小不能改变。
- 直接访问元素,时间复杂度为 O(1)。
- 适合处理大小已知、元素类型相同的集合。
实例
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
cout << arr[0]; // 输出第一个元素
cout << arr[0]; // 输出第一个元素
优缺点:
- 优点:访问速度快,内存紧凑。
- 缺点:大小固定,无法动态扩展,不适合处理大小不确定的数据集。
2. 结构体(Struct)
结构体允许将不同类型的数据组合在一起,形成一种自定义的数据类型。
特点:
- 可以包含不同类型的成员变量。
- 提供了对数据的基本封装,但功能有限。
示例:
实例
struct Person {
string name;
int age;
};
Person p = {"Alice", 25};
cout << p.name << endl; // 输出 Alice
string name;
int age;
};
Person p = {"Alice", 25};
cout << p.name << endl; // 输出 Alice
3. 类(Class)
类是 C++ 中用于面向对象编程的核心结构,允许定义成员变量和成员函数。与 struct 类似,但功能更强大,支持继承、封装、多态等特性。
特点:
- 可以包含成员变量、成员函数、构造函数、析构函数。
- 支持面向对象特性,如封装、继承、多态。
实例
class Person {
private:
string name;
int age;
public:
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
void printInfo() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
Person p("Bob", 30);
p.printInfo(); // 输出: Name: Bob, Age: 30
private:
string name;
int age;
public:
Person(string n, int a) : name(n), age(a) {}
void printInfo() {
cout << "Name: " << name << ", Age: " << age << endl;
}
};
Person p("Bob", 30);
p.printInfo(); // 输出: Name: Bob, Age: 30
4. 链表(Linked List)
链表是一种动态数据结构,由一系列节点组成,每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。
特点:
- 动态调整大小,不需要提前定义容量。
- 插入和删除操作效率高,时间复杂度为 O(1)(在链表头部或尾部操作)。
- 线性查找,时间复杂度为 O(n)。
实例(单向链表)
struct Node {
int data;
Node* next;
};
Node* head = nullptr;
Node* newNode = new Node{10, nullptr};
head = newNode; // 插入新节点
int data;
Node* next;
};
Node* head = nullptr;
Node* newNode = new Node{10, nullptr};
head = newNode; // 插入新节点
优缺点:
- 优点:动态大小,适合频繁插入和删除的场景。
- 缺点:随机访问效率低,不如数组直接访问快。
5. 栈(Stack)
栈是一种后进先出(LIFO, Last In First Out)的数据结构,常用于递归、深度优先搜索等场景。
特点:
- 只允许在栈顶进行插入和删除操作。
- 时间复杂度为 O(1)。
实例
stack<int> s;
s.push(1);
s.push(2);
cout << s.top(); // 输出 2
s.pop();
s.push(1);
s.push(2);
cout << s.top(); // 输出 2
s.pop();
优缺点:
- 优点:操作简单,效率高。
- 缺点:只能在栈顶操作,访问其他元素需要弹出栈顶元素。
6. 队列(Queue)
队列是一种先进先出(FIFO, First In First Out)的数据结构,常用于广度优先搜索、任务调度等场景。
特点:
- 插入操作在队尾进行,删除操作在队头进行。
- 时间复杂度为 O(1)。
实例
queue<int> q;
q.push(1);
q.push(2);
cout << q.front(); // 输出 1
q.pop();
q.push(1);
q.push(2);
cout << q.front(); // 输出 1
q.pop();
优缺点:
- 优点:适合按顺序处理数据的场景,如任务调度。
- 缺点:无法随机访问元素。
7. 双端队列(Deque)
双端队列允许在两端进行插入和删除操作,是栈和队列的结合体。
特点:
- 允许在两端进行插入和删除。
- 时间复杂度为 O(1)。
实例
deque<int> dq;
dq.push_back(1);
dq.push_front(2);
cout << dq.front(); // 输出 2
dq.pop_front();
dq.push_back(1);
dq.push_front(2);
cout << dq.front(); // 输出 2
dq.pop_front();
优缺点:
- 优点:灵活的双向操作。
- 缺点:空间占用较大,适合需要在两端频繁操作的场景。
8. 哈希表(Hash Table)
哈希表是一种通过键值对存储数据的数据结构,支持快速查找、插入和删除操作。C++ 中的 unordered_map 是哈希表的实现。
特点:
- 使用哈希函数快速定位元素,时间复杂度为 O(1)。
- 不保证元素的顺序。
实例
unordered_map<string, int> hashTable;
hashTable["apple"] = 10;
cout << hashTable["apple"]; // 输出 10
hashTable["apple"] = 10;
cout << hashTable["apple"]; // 输出 10
优缺点:
- 优点:查找、插入、删除操作效率高。
- 缺点:无法保证元素顺序,哈希冲突时性能会下降。
9. 映射(Map)
map 是一种有序的键值对容器,底层实现是红黑树。与 unordered_map 不同,它保证键的顺序,查找、插入和删除的时间复杂度为 O(log n)。
特点:
- 保证元素按键的顺序排列。
- 使用二叉搜索树实现。
实例
map<string, int> myMap;
myMap["apple"] = 10;
cout << myMap["apple"]; // 输出 10
myMap["apple"] = 10;
cout << myMap["apple"]; // 输出 10
优缺点:
- 优点:元素有序,适合需要按顺序处理数据的场景。
- 缺点:操作效率比
unordered_map略低。
10. 集合(Set)
set 是一种用于存储唯一元素的有序集合,底层同样使用红黑树实现。它保证元素不重复且有序。
特点:
- 保证元素的唯一性。
- 元素自动按升序排列。
- 时间复杂度为 O(log n)。
实例
set<int> s;
s.insert(1);
s.insert(2);
cout << *s.begin(); // 输出 1
s.insert(1);
s.insert(2);
cout << *s.begin(); // 输出 1
优缺点:
- 优点:自动排序和唯一性保证。
- 缺点:插入和删除的效率不如无序集合。
11. 动态数组(Vector)
vector 是 C++ 标准库提供的动态数组实现,可以动态扩展容量,支持随机访问。
特点:
- 动态调整大小。
- 支持随机访问,时间复杂度为 O(1)。
- 当容量不足时,动态扩展,时间复杂度为摊销 O(1)。
实例
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
cout << v[0]; // 输出 1
v.push_back(1);
v.push_back(2);
cout << v[0]; // 输出 1
优缺点:
- 优点:支持随机访问,动态扩展。
- 缺点:插入和删除中间元素的效率较低。