数据结构概述 - 物理结构 - 顺序、链式存储结构

在计算机科学的广阔领域中，数据结构是构建高效算法和程序的基石。而数据的物理结构，尤其是顺序存储结构和链式存储结构，更是数据结构的核心概念。它们决定了数据在计算机内存中的存储方式，对程序的性能和效率有着深远的影响。下面我们将深入探讨这两种存储结构。

顺序存储结构

定义与原理

顺序存储结构是把逻辑上相邻的元素存储在物理位置上也相邻的存储单元中，数据元素之间的逻辑关系由存储单元的邻接关系来体现。简单来说，就像电影院里一排连着的座位，每个座位对应一个数据元素，它们依次排列，紧密相连。在大多数编程语言中，数组就是顺序存储结构的典型代表。

示例代码

以下是一个Python示例，展示了如何使用数组（列表）来实现顺序存储：

# 创建一个包含整数的顺序存储结构（列表）
sequence = [1, 2, 3, 4, 5]
# 访问第三个元素
print(sequence[2])  
# 输出: 3

优缺点

优点	缺点
随机访问效率高：可以通过下标直接访问任意位置的元素，时间复杂度为O(1)。例如在一个长度为n的数组中，要访问第i个元素，直接通过数组名加上下标即可快速定位。	插入和删除操作效率低：在数组中间或开头插入或删除元素时，需要移动大量元素，时间复杂度为O(n)。比如在一个长度为n的数组开头插入一个元素，后面的n个元素都要依次后移一位。
空间利用率高：不需要额外的指针来维护元素之间的关系，所有空间都用于存储数据元素。	大小固定：数组在创建时需要指定大小，一旦确定，后续很难动态调整。如果数据量超过数组的容量，就需要重新创建一个更大的数组并复制数据，这会带来额外的开销。

应用场景

顺序存储结构适用于需要频繁随机访问元素，而插入和删除操作较少的场景。例如，在处理静态数据，如数学计算中的向量、矩阵，或者游戏中的地图数据时，顺序存储结构能够发挥其优势。

链式存储结构

定义与原理

链式存储结构不要求逻辑上相邻的元素在物理位置上也相邻，而是通过指针将各个元素连接起来。每个元素（节点）除了存储数据本身外，还包含一个指向下一个节点的指针。这就好比一群手牵手的小朋友，每个小朋友都知道下一个小朋友是谁，通过这种方式形成一个链条。

示例代码

以下是一个Python实现的简单单向链表：

# 定义链表节点类
class Node:
    def __init__(self, data):
        self.data = data
        self.next = None
# 定义链表类
class LinkedList:
    def __init__(self):
        self.head = None
    # 在链表尾部添加元素
    def append(self, data):
        new_node = Node(data)
        if not self.head:
            self.head = new_node
            return
        last_node = self.head
        while last_node.next:
            last_node = last_node.next
        last_node.next = new_node
    # 打印链表元素
    def display(self):
        elements = []
        current_node = self.head
        while current_node:
            elements.append(current_node.data)
            current_node = current_node.next
        print(" -> ".join(map(str, elements)))
# 创建链表并添加元素
linked_list = LinkedList()
linked_list.append(1)
linked_list.append(2)
linked_list.append(3)
# 显示链表
linked_list.display()  
# 输出: 1 -> 2 -> 3

优缺点

优点	缺点
插入和删除操作效率高：只需要修改指针的指向，不需要移动大量元素，时间复杂度为O(1)（在已知节点位置的情况下）。例如在链表中插入一个新节点，只需要将新节点的指针指向原节点的下一个节点，再将原节点的指针指向新节点即可。	随机访问效率低：要访问链表中的某个节点，必须从链表头开始依次遍历，时间复杂度为O(n)。比如要访问链表的第i个节点，需要从头节点开始，依次访问i - 1个节点才能到达目标节点。
动态分配内存：链表的大小可以根据需要动态增长或缩小，不需要预先分配固定大小的内存空间。	空间利用率低：每个节点除了存储数据外，还需要额外的指针来维护节点之间的关系，会占用一定的额外空间。

应用场景

链式存储结构适用于需要频繁进行插入和删除操作，而随机访问需求较少的场景。例如，在实现栈、队列等数据结构时，链表是一种常用的选择；在操作系统的内存管理中，也会使用链表来管理空闲内存块。

总结

顺序存储结构和链式存储结构各有优缺点，在实际应用中需要根据具体的需求来选择合适的存储结构。如果需要频繁随机访问元素，且插入和删除操作较少，顺序存储结构是更好的选择；如果需要频繁进行插入和删除操作，而随机访问需求较少，链式存储结构则更为合适。通过深入理解这两种存储结构的特点和应用场景，我们可以在编程中更加灵活地运用它们，提高程序的性能和效率。