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最基础的数据结构

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本文将讨论实际编程最经常使用的三种数据结构:字符串、数组和Hash表,比较它们在不同语言中的实现思路,并涉及它们的使用技巧。

作者:左轻侯 来源:blog 2007年7月27日

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 Delphi也支持C风格的数组,但提供了越界检查。另外,Delphi还提供了一种动态数组(Dynamic Array),可以在运行时通过SetLength函数动态地改变它的大小。

事实上,SetLength函数就是对内存管理操作的一种封装。类似于C++中的vector,Delphi也提供了两个可以自动增长的容器:TList和TObjectList,前者用于存放无类型的指针,后者用于存放对象。由于Delphi不支持模板机制,所以TList不会自动释放指针所指向的内存,它只会维护指针自身占用的内存(TObjectList能够在销毁时自动释放元素所占用的空间,如果它的OwnsObjects属性被设置为True的话)。

一种常用的解决方法是,编写一个针对具体类型的包裹类,使用一个作为私有数据成员的TList对象来管理指针,并手动编写申请和释放内存的那部分代码。这样总比C语言中的情况要好得多。

  Java也支持加上了越界检查的C风格数组,但它提供的类似容器更为引人注目。Java将序列(List)作为一个单独的接口提取出来,并提供了两个实现:ArrayList和LinkedList。从名字就可以看出来,前者是通过数组来实现的,后者则通过链表。

  由于都实现了List接口,二者可以支持同样的基本操作方式,不同的是,ArrayList在频繁进行随机访问时有效率上的优势,而LinkedList在频繁进行插入和删除操作时效率较优。实现了List接口的类还有Vector和Stack,但是它们在Java 1.1以后就被废弃了。由于LinkedList可以在序列的头尾插入和删除元素,它可以很好地实现Stack和Queue的功能。

   Java在1.5以前的版本中也不支持模板,因此List(以及其他的容器)接受Object类型作为元素。由于在Java中所有的类都派生自Object,所以这些容器能够支持任何对象。对于不是对象的基本类型,Java提供了一种包裹类(wrapped class),它能够将基本类型转换成常规的类,从而获得容器的支持。这和Delphi的解决思路异曲同工。
  
   Hash表
   作为一种抽象数据结构,词典(Dictionary)被定义为键-值(Key-Value)对的集合。举例来说,在电话号码簿中,通过查找姓名,来找到电话号码,这个例子中姓名是key,电话号码是value。又比如,在学生花名册中,通过查找学号,来找到学生的姓名,这个例子中学号是key,学生的姓名是value。词典最常见的实现方式是Hash表。

   Hash表的实现思路如下:通过某种算法,在键-值对的存储地址和键-值对中的key之间,建立一种映射,使得每一个key,都有一个确定的存储地址与之对应。这种算法被封装在Hash函数中。在查找时,通过Hash函数,算出和key对应的存储地址,从而找到相应的键-值对。相对于通过遍历整个键-值对列表来进行查找,Hash表的查找效率要高得多,理想的情况下算法复杂度仅为O(1)(遍历查找的复杂度为O(n))。

   但是,由于通常情况下key的集合比键-值对存储地址的集合要大得多,所以有可能把不同的key映射到同一个存储地址上。这种情况称为冲突(collision)。一个好的Hash函数应该尽可能地把key映射到均匀的地址空间中,以减少冲突。Hash表的实现也应该提供解决冲突的方案。

   Hash表是一种相对复杂得多的数据结构,从底层完整地实现一个Hash表,也许超出了对一个普通程序员的要求。但是,由于它是如此重要,了解Hash表的概念和掌握使用它的接口,仍然是一项必不可少的技能。
   C语言中没有提供现成的Hash表,但是C++提供了优秀的Hash表实现容器hash_map。象STL中的其他容器一样,hash_map支持任何数据类型,支持内存自动管理,能够自动增长。特别地,hash_map通过模板机制,实现了和hash函数的剥离,也就是说,程序员可以定义自己的hash函数,交给hash_map去进行相应的工作。如下例:
  
   hash_map <string, int> hml; // 使用默认的Hash<string>函数
   hash_map <string, int, hfct> hml; // 使用自定义的hfct()作为hash函数
   hash_map <string, int, hfct, eql> hml; // 使用自定义的hfct()作为hash函数,并且使用自定义的eql()函数比较对象是否相等
  
   Java定义了Map接口,抽象了关于Map的各种操作。在实现了Map接口的类中,有两种是Hash表:HashMap和WeakHashMap(HashTable在Java 1.1以后已被废弃)。后者用于实现所谓“标准映射”(canonicalizing mappings),和本文讨论的内容关系不大。HashMap接受任何类型的对象作为键-值对的元素,支持快速的查找。如下例:
  
   HashMap hm = new HashMap();
   hm.put("akey", "this is a word"); // 使用两个字符串作为键-值对
   String str = (String) hm.get("akey");
   System.out.println(str);
  
  

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