Data Structures Core
数据结构是程序设计的基础,本模块提供Python和C++双语言实现,从基础到高级逐步深入。
🎯 学习目标
核心能力
线性结构:数组、链表、栈、队列
树形结构:二叉树、二叉搜索树、AVL树、红黑树
哈希结构:哈希表、哈希函数、冲突解决
图结构:图的表示、遍历、最短路径
高级结构:堆、并查集、线段树、字典树
技术深度
时间复杂度:理解和分析算法效率
空间复杂度:内存使用优化
应用场景:实际问题建模
性能优化:数据结构选择和调优
📚 学习路径
第一阶段:线性结构(2019.01 - 2019.03)
数组与动态数组:基础操作、动态扩容
链表:单链表、双链表、循环链表
栈:数组栈、链式栈、应用
队列:循环队列、链式队列、双端队列
第二阶段:哈希与树(2019.04 - 2019.08)
哈希表:哈希函数、冲突解决、性能分析
二叉树:遍历、构建、应用
二叉搜索树:查找、插入、删除
堆:最大堆、最小堆、优先队列
第三阶段:平衡树(2019.09 - 2020.03)
AVL树:平衡因子、旋转、自平衡
红黑树:性质、插入、删除、应用
🔧 环境要求
Python
Python 3.8+
标准库
C++
C++11或更高
GCC 7+ / Clang 5+ / MSVC 2017+
🚀 快速开始
Python
# 运行示例
python array.py
python linked_list.py
# 运行测试
python -m pytest tests/
C++
# 编译
g++ -std=c++11 array.cpp -o array
g++ -std=c++11 linked_list.cpp -o linked_list
# 运行
./array
./linked_list
📊 复杂度对比
数据结构 |
查找 |
插入 |
删除 |
空间 |
|---|---|---|---|---|
数组 |
O(1) |
O(n) |
O(n) |
O(n) |
链表 |
O(n) |
O(1) |
O(1) |
O(n) |
栈 |
O(n) |
O(1) |
O(1) |
O(n) |
队列 |
O(n) |
O(1) |
O(1) |
O(n) |
哈希表 |
O(1) |
O(1) |
O(1) |
O(n) |
二叉搜索树 |
O(logn) |
O(logn) |
O(logn) |
O(n) |
AVL树 |
O(logn) |
O(logn) |
O(logn) |
O(n) |
红黑树 |
O(logn) |
O(logn) |
O(logn) |
O(n) |
堆 |
O(n) |
O(logn) |
O(logn) |
O(n) |
💡 学习建议
学习方法
理论结合实践:先理解原理,再看代码实现
对比学习:Python和C++实现对比
画图辅助:画出数据结构的状态变化
刷题巩固:在LeetCode上练习相关题目
推荐顺序
先学Python实现(语法简洁,易于理解)
再学C++实现(理解内存管理和指针)
对比两种语言的实现差异
分析时间和空间复杂度
🎯 应用场景
数组
顺序存储
随机访问
矩阵运算
链表
动态内存管理
频繁插入删除
LRU缓存
栈
函数调用
表达式求值
括号匹配
队列
任务调度
广度优先搜索
消息队列
哈希表
快速查找
去重
缓存
二叉搜索树
有序数据维护
范围查询
数据库索引
AVL树
严格平衡
查询密集型场景
红黑树
C++ STL (map, set)
Java TreeMap
Linux内核
堆
优先队列
Top K问题
堆排序
📚 参考资料
🌟 总结
数据结构是编程的基石,选择合适的数据结构能大幅提升程序效率。通过Python和C++双语言学习,既能理解高层抽象,又能掌握底层实现细节。
建议循序渐进,从简单的线性结构开始,逐步过渡到复杂的树形结构,最后掌握高级的平衡树。每学习一个数据结构,都要:
理解其原理和特性
掌握基本操作的实现
分析时间和空间复杂度
了解实际应用场景
练习相关算法题目