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)

  1. 数组与动态数组:基础操作、动态扩容

  2. 链表:单链表、双链表、循环链表

  3. :数组栈、链式栈、应用

  4. 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)

  1. 哈希表:哈希函数、冲突解决、性能分析

  2. 二叉树:遍历、构建、应用

  3. 二叉搜索树:查找、插入、删除

  4. :最大堆、最小堆、优先队列

第三阶段:平衡树(2019.09 - 2020.03)

  1. AVL树:平衡因子、旋转、自平衡

  2. 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)

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)

O(n)

O(logn)

O(logn)

O(n)

💡 学习建议

学习方法

  1. 理论结合实践:先理解原理,再看代码实现

  2. 对比学习:Python和C++实现对比

  3. 画图辅助:画出数据结构的状态变化

  4. 刷题巩固:在LeetCode上练习相关题目

推荐顺序

  1. 先学Python实现(语法简洁,易于理解)

  2. 再学C++实现(理解内存管理和指针)

  3. 对比两种语言的实现差异

  4. 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

  • 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

  • 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:

  1. 理解其原理和特性

  2. 掌握基本操作的实现

  3. 分析时间和空间复杂度

  4. 了解实际应用场景

  5. 练习相关算法题目