C语言之数据结构与算法
一、数据结构与算法：线性表1、顺序表
实现代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef int E;//定义顺序表存储的数据为int
struct List
{
E *array; //实现顺序表的底层数组
int capacity; //表示底层数组的容量
int size; //已存多少数据
};
//插入元素
_Bool insertList(struct List *list, E element, int index){
if (index < 1 || index > list->size + 1) return 0;//index可能非法
if(list->size == list->capacity){ //判断顺序表是否满了，若满，则扩容。
int newCapacity = list->capacity + (list->capacity >> 1); //>>1 相当于/2
E * newList = realloc(list->array, newCapacity*sizeof(E));
if(newList == NULL) return 0;
list->array = newList;
list->capacity = newCapacity;
}
for (int i = list->size; i>=index; --i){
list->array = list->array;
}
list->array = element;
list->size++;
return 1;
}
//删除元素
_Bool deleteList(struct List *list,int index){
if(index < 1 || index > list->size) return 0;
for(int i = index - 1; i < list->size - 1; ++i){
list->array = list->array;
}
list->size--;
}
//活得顺序表大小
int sizeList(struct List *list){
return list->size;
}
//获得元素
E * getList(struct List *list, int index){
if(index < 1 || index > list->size) return NULL;
return &list->array;
}
//查找元素
int findList(struct List *list,E element){
for(int i = 0; i < list->size; i++){
if(list->array == element) return i + 1;
}
return -1;
}
/*
**
**
*/
_Bool initList(struct List *list ){
list->array = malloc(sizeof(E)*10); //malloc开辟的内存在堆区，函数生命周期结束后还存在（需要手动释放或程序结束后由系统释放）。
if (list->array == NULL) return 0;//若申请内存空间失败，则返回0.
list->capacity = 10;
list->size = 0;
return 1;
}
void printList(struct List *list){
for(int i = 0; i<list->size; ++i){
printf("%d ", list->array);
}
printf("\n");
}
int main(int argc,int* argv)
{
struct List * list = malloc(sizeof(struct List *));
/*结构体指针初始化，首先不能 “= NULL”，因为指针指向一个安全的区域，不能解析。
**也不能，不初始化，因为指针可能指向未知地址，对其操作造成的后果是未知的，
**初始化方式有：一、在堆区开辟一个空间；二、先定义一个结构体，用指针指向他；
*/
if(initList(list)){
for(int i = 0; i<10; ++i){
insertList(list,i*10,i+1);
}
deleteList(list,2);
printList(list);
printf("%d \n",*getList(list,2));
printf("%d",findList(list,30));
}
else{
printf("shibai");
}
free(list);
}链表表是一种顺序访问的存储结构。
3、双向链表
4、循环链表w
5、堆栈（Stack）
先进后出
6、队列（Queue）
先进先出
实战1、反转链表
题目描述：给你单链表的头节点 head ，请你反转链表，并返回反转后的链表。
解法一
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef int E;//定义顺序表存储的数据为int
struct ListNode{
E element;
struct ListNode *next;
};
typedef struct ListNode* Node;
void initList(Node node){
node->next = NULL;
}
_Bool insertList(Node head, E element, int index){
if(index < 0) return 0;
while(--index){
head = head->next;
if(head == NULL) return 0;
}
Node node = malloc(sizeof(struct ListNode));
if(node == NULL) return 0;
node->element = element;
node->next = head->next;
head->next = node;
return 1;
}
_Bool deleteList(Node head, int index){
if(index < 1) return 0;
while(--index){
head = head->next;
if(head == NULL) return 0;
}
if(head->next == NULL) return 0;
Node node = head->next;
head->next = head->next->next;
free(node);
return 1;
}
//获得元素；
E *getList(Node head, int index){
if(index < 1) return 0;
if (head->next == NULL) return NULL; //若为空表，则返回为空；
do{
head = head->next;
if(head == NULL) return NULL;
}while(--index);
return &head->element;
}
//寻找元素下标
int findList(Node head, E element){
int i = 1;
if(head->next == NULL) return -1; //判断是否为空表
do{
head = head->next;
if(head->element == element) return i;
i++;
}while(head->next);
return -1;
}
int sizeList(Node head){
int i = 0;
while(head->next){
i++;
head = head->next;
}
return i;
}
//函数都是值传递，传值，值不变；传指针，指针不变；传指针，值会变
//对head->element或者head->next操作会改变值
void printfList(Node head){
while(head->next){
head = head->next;
printf("%d ",head->element);
}
printf("\n");
}
int main()
{
Node p1;
struct ListNode head;
initList(&head);
for(int i = 0; i < 3; ++i){
insertList(&head,i*10, i+1);
}
printfList(&head);
printf("%d",sizeList(&head));
}解法二:递归
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef int E;//定义顺序表存储的数据为int
struct ListNode{
int val;
struct ListNode *next;
};
struct ListNode* reverseList(struct ListNode* head)
{
struct ListNode *tmp,*newHead = NULL;
while (head)
{
//假设前面已被反转。
tmp = head->next; //保存第二个节点，用于当作下一个节点的头结点。
head->next = newHead; //指向前节点
newHead = head; //更新前节点
head = tmp; //新链表
}
return newHead;
}实战2、匹配字符串
给定一个只包括 '('，')'，'{'，'}'，'['，']' 的字符串 s ，判断字符串是否有效。
有效字符串需满足：
[*]左括号必须用相同类型的右括号闭合。
[*]左括号必须以正确的顺序闭合。
[*]每个右括号都有一个对应的相同类型的左括号。
方法：栈的应用
方法1：自己的
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef int E;//定义顺序表存储的数据为int
struct ListNode{
int val;
struct ListNode *next;
};
struct ListNode* reverseList(struct ListNode* head) {
if (head == NULL || head->next == NULL) {
return head;
}
struct ListNode* newHead = reverseList(head->next);
head->next->next = head;
head->next = NULL;
return newHead;
}方法2：更快
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>>
#define true 1
#define false 0
typedef char E;
struct LNode {
E val;
struct LNode *next;
};
typedef struct LNode* Node;
void initStack(Node head){
head->next = NULL;
}
void printStack(Node head){
printf("| ");
head = head->next;
while (head){
printf("%d ", head->val);
head = head->next;
}
printf("\n");
}
//入栈
_Bool pushStack(Node head, E val){
Node node = malloc(sizeof(struct LNode));
if(node == NULL) return 0;
node->next = head->next;
node->val = val;
head->next = node;
return 1;
}
//出栈
E popStack(Node head){
if(head->next == NULL) return 0;
Node node;
node = head->next;
E val = node->val;
head->next = head->next->next;
free(node);
return val;
}
_Bool isValid(char* s) {
struct LNode head;
initStack(&head);
unsigned int len = strlen(s);
if(len % 2 == 1) return false;
pushStack(&head,s);
for(int i = 1; i < len; i++){
E top = popStack(&head);
if(top != 0)pushStack(&head,top);
if(top == '('){
if(s == ')') popStack(&head);
else pushStack(&head,s);
}
else if(top == '['){
if(s == ']') popStack(&head);
else pushStack(&head,s);
}
else if(top == '{'){
if(s == '}') popStack(&head);
else pushStack(&head,s);
}
elsepushStack(&head,s);
}
if(head.next == NULL) return true;
else return false;
}
int main(){
char *s = "()[]{}";
printf("%d ",isValid(s));
}方法三：更快
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
typedef char E;
struct LNode {
E element;
struct LNode * next;
};
typedef struct LNode * Node;
void initStack(Node head){
head->next = NULL;
}
_Bool pushStack(Node head, E element){
Node node = malloc(sizeof(struct LNode));
if(node == NULL) return 0;
node->next = head->next;
node->element = element;
head->next = node;
return 1;
}
_Bool isEmpty(Node head){
return head->next == NULL;
}
E popStack(Node head){
Node top = head->next;
head->next = head->next->next;
E e = top->element;
free(top);
return e;
}
bool isValid(char * s){
unsigned long len = strlen(s);
if(len % 2 == 1) return false;//如果长度不是偶数，那么一定不能成功匹配
struct LNode head;
initStack(&head);
for (int i = 0; i < len; ++i) {
char c = s;
if(c == '(' || c == '[' || c == '{') {
pushStack(&head, c);
}else {
if(isEmpty(&head)) return false;
if(c == ')') {
if(popStack(&head) != '(') return false;
} else if(c == ']') {
if(popStack(&head) != '[') return false;
} else {
if(popStack(&head) != '{') return false;
}
}
}
return isEmpty(&head);
}二、数据结构与算法：树
1、树：理论
[*]我们一般称位于最上方的结点为树的根结点（Root）；
[*]每个结点连接的子结点数目（分支的数目），我们称为结点的度（Degree），而各个结点度的最大值称为树的度；
[*]每个结点延伸下去的下一个结点都可以称为一棵子树（SubTree）；
[*]每个结点的层次（Level）按照从上往下的顺序，树的根结点为1，每向下一层+1，比如G的层次就是3，整棵树中所有结点的最大层次，就是这颗树的深度（Depth）；
[*]与当前结点直接向下相连的结点，我们称为子结点（Child）；相反即为父节点；
[*]如果某个节点没有任何的子结点（结点度为0时）那么我们称这个结点为叶子结点；
[*]如果两个结点的父结点是同一个，那么称这两个节点为兄弟结点（Sibling）；
[*]从根结点开始一直到某个结点的整条路径的所有结点，都是这个结点的祖先结点（Ancestor）；
2、二叉树的性质
[*]性质一： 对于一棵二叉树，第i层的最大结点数量为 个2^i - 1;
[*]一棵深度为k的二叉树最大结点数量为 n = 2^k*−1，顺便得出，结点的边数为 E = n - 1。
[*]于任何一棵二叉树，如果其叶子结点个数为 n0，度为2的结点个数为 n2 ，那么两者满足以下公式：n0 = n2+1;
[*]n个结点的完全二叉树深度为 k = log2^n + 1 ;
[*]
3、二叉树遍历：前序、中序、后序遍历
前序遍历结果为：ABDECF；
中序遍历结果为：DBEACF；
后序遍历结果为：DEBFCA；
char pairs(char a) {
if (a == '}') return '{';
if (a == ']') return '[';
if (a == ')') return '(';
return 0;
}
bool isValid(char* s) {
int n = strlen(s);
if (n % 2 == 1) {
return false;
}
int stk, top = 0;
for (int i = 0; i < n; i++) {
char ch = pairs(s);
if (ch) {
if (top == 0 || stk != ch) {
return false;
}
top--;
} else {
stk = s;
}
}
return top == 0;
}4、二叉树遍历：层序遍历
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>>
typedef char E;
struct TreeNode{
E element;
struct TreeNode *left;
struct TreeNode *right;
};
typedef struct TreeNode* Node;
//前序递归，利用函数栈的特性，不断出栈入栈
void preOrder(Node root){
if(root == NULL) return;
printf("%c", root->element);
preOrder(root->left);
preOrder(root->right);
}
//中序遍历
void inOrder(Node root){
if(root == NULL) return;
inOrder(root->left);
printf("%c",root->element);
inOrder(root->right);
}
//后序遍历
void afOrder(Node root){
if(root == NULL) return;
afOrder(root->left);
afOrder(root->right);
printf("%c",root->element);
}
int main(){
Node a = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node b = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node c = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node d = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node e = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node f = malloc(sizeof(struct TreeNode));
a->element = 'A';
b->element = 'B';
c->element = 'C';
d->element = 'D';
e->element = 'E';
f->element = 'F';
a->left = b;
a->right = c;
b->left = d;
b->right = e;
c->right = f;
c->left = NULL;
d->left = e->right = NULL;
e->left = e->right = NULL;
f->left = f->right = NULL;
afOrder(a);
}5、二叉树的线索化(以前序为例)
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
typedef char E;
typedef struct TreeNode {
E element; //存放元素
struct TreeNode * left; //指向左子树的指针
struct TreeNode * right; //指向右子树的指针
} *Node;
typedef struct initNode{ //定义队列初始节点
Node element;
struct initNode *next;
} *INode;
struct Queue{ //队列头尾指针
INode front,rear;
};
typedef struct Queue* LinkedQueue;
_Bool initQueue(LinkedQueue queue){
INode node = malloc(sizeof(struct initNode));
if(node == NULL) return 0;
node->next = NULL;
queue->front = queue->rear = node;
}
//入队
_Bool enQueue(LinkedQueue quene, Node element){
INode node = malloc(sizeof(struct initNode));
if(node == NULL) return 0;
node->next = NULL;
node->element = element;
quene->rear->next = node;
quene->rear = node;
return 1;
}
// 出队
Node deQueue(LinkedQueue queue){
Node val = queue->front->next->element;
INode node;
node = queue->front->next;
queue->front->next = queue->front->next->next;
if(queue->rear == node) queue->rear = queue->front;
free(node);
return val;
}
_Bool isEmpty(LinkedQueue queue){
return (queue->front == queue->rear);
}
void levelQueue(Node root){
struct Queue queue;
initQueue(&queue);
enQueue(&queue,root);
while(!isEmpty(&queue)){
Node node = deQueue(&queue);
printf("%c",node->element);
if(node->left) enQueue(&queue,node->left);
if(node->right) enQueue(&queue,node->right);
}
}
int main(){
Node a = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node b = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node c = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node d = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node e = malloc(sizeof(struct TreeNode));
Node f = malloc(sizeof(struct TreeNode));
a->element = 'A';
b->element = 'B';
c->element = 'C';
d->element = 'D';
e->element = 'E';
f->element = 'F';
a->left = b;
a->right = c;
b->left = d;
b->right = e;
c->right = f;
c->left = NULL;
d->left = e->right = NULL;
e->left = e->right = NULL;
f->left = f->right = NULL;
levelQueue(a);
}六、二叉搜索树（二叉查找树）
七、平衡二叉树
三、数据结构与算法：哈希表
1、哈希表
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
typedef char E;
typedef struct TreeNode {
E element; //存放元素
struct TreeNode * left; //指向左子树的指针
struct TreeNode * right; //指向右子树的指针
char leftFlag,rightFlag //线索化标志位
} *Node;
Node pre = NULL;//这里我们需要一个pre来保存后续结点的指向
void treeOrdered(Node root){
if(root == NULL) return;
//线索化规则：结点的左指针，指向其当前遍历顺序的前驱结点；结点的右指针，指向其当前遍历顺序的后继结点。
if(root->left == NULL){ //判断当前节点的左节点是否为空，若为空，则指向上一个节点。
root->leftFlag = 1;
root->left = pre;
}
if(pre && pre->right == NULL){//判断上一个节点的右节点是否为空，若为空，则指向当前节点
pre->right = root;
pre->rightFlag = 1;
}
pre = root;
if(root->leftFlag == 0) treeOrdered(root->left); //判断左节点是否是线索化的，若不是，才能继续。
if(root->rightFlag == 0) treeOrdered(root->right);//判断可略，因为，我们对右节点的线索化，是在后面执行的
}
void preOrder(Node root){
while (root) { //到头为止
printf("%c", root->element); //因为是前序遍历，所以直接按顺序打印就行了
if(root->leftFlag == 0)
root = root->left; //如果是左孩子，那么就走左边
else
root = root->right; //如果左边指向是线索，那么就直接走右边。
}
}
Node createNode(E element){ //单独写了个函数来创建结点
Node node = malloc(sizeof(struct TreeNode));
node->left = node->right = NULL;
node->rightFlag = node->leftFlag = 0;
node->element = element;
return node;
}
int main() {
Node a = createNode('A');
Node b = createNode('B');
Node c = createNode('C');
Node d = createNode('D');
Node e = createNode('E');
a->left = b;
b->left = d;
a->right = c;
b->right = e;
treeOrdered(a);
preOrder(a);
}2、哈希冲突（链地址法）
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define SIZE 9
//结构体指针，直接用E->key访问，避免用*E访问
typedef struct Element { //这里用一个Element将值包装一下
int key; //这里元素设定为int
} * E;
typedef struct HashTable{ //这里把数组封装为一个哈希表
E * table;
} * HashTable;
int hash(int key){ //哈希函数
return key % SIZE;
}
void init(HashTable hashTable){ //初始化函数
hashTable->table = malloc(sizeof(struct Element) * SIZE);
for (int i = 0; i < SIZE; ++i)
hashTable->table = NULL;
}
void insert(HashTable hashTable, E element){ //插入操作，为了方便就不考虑装满的情况了
int hashCode = hash(element->key); //首先计算元素的哈希值
hashTable->table = element; //对号入座
}
_Bool find(HashTable hashTable, int key){
int hashCode = hash(key); //首先计算元素的哈希值
if(!hashTable->table) return 0; //如果为NULL那就说明没有
return hashTable->table->key == key;//如果有，直接看是不是就完事
}
E create(int key){ //创建一个新的元素
E e = malloc(sizeof(struct Element));
e->key = key;
return e;
}
int main() {
struct HashTable hashTable;
init(&hashTable);
insert(&hashTable, create(10));
insert(&hashTable, create(7));
insert(&hashTable, create(13));
insert(&hashTable, create(29));
printf("%d\n", find(&hashTable, 1));
printf("%d\n", find(&hashTable, 13));
}
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