C++ 数据结构 2024年9月21日
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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

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

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

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

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

stackint> s;
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

queueint> q;
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

dequeint> dq;
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_mapstring, int> hashTable;
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

mapstring, int> myMap;
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

setint> s;
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

vectorint> v;
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。

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