学好这 13 种数据结构，应对各种编程语言（C++ 版）

学了这么长时间数据结构和算法，有必要来个总结了，顺便回顾一下我们这段时间的学习成果。以 C++ 语言本身提供的数据结构为例。如果能掌握这 13 种数据结构，相信在学习其它语言的时候就不费劲了。 

数组 Array 

数组在初始化的时候就需要知道其大小，后续是不可以改变其大小的，可以通过下标来获取某个 index 中存放的元素。在 C++ 中通过源码可以知道，它其实是在 C 数组的基础上封装的： 

#include <array>

void testArray() {

// 创建一个数组

std::array<int, 5> a = {2, 4, 6, 8, 10};

// 对数组进行遍历

for (const auto i : a) {

std::cout << i << std::endl;

}

for(int i = 0; i < a.size(); i++) {

std::cout << a[i] << std::endl;

}

// 取第一个值，通过 [index] 获取

std::cout << "a[0] = " << a[0] << std::endl;

// 修改数组中第一个值

a[0] = 5;

/**

at 会检查 index 是否越界，越界将 crash，而 a[index] 不会;

libc++abi.dylib: terminating with uncaught exception of type std::out_of_range: array::at

*/

a.at(0);

// 数组是否为空

a.empty();

// 求数组的长度

std::cout << "a.size()=" << a.size() << std::endl;

// 获取第4个值

int value = std::get<4>(a);

std::cout << "a(4) = " << value << std::endl;

// 创建一个空数组，数组中的值为0或者是与类型相等的其它值

std::array<int, 5> a2;

std::cout << "end a2" << a2[0] << std::endl;

// 比较两个数组中的元素是否都相等

if (a == a2) {}

}

可变数组,向量vector

在C++中使用 Vector 存当可变数组，它的容量可以动态改变，初始化的时候不需要确定数组的大小。使用的方法和数组基本一致。

#include <vector>

// 向量

void testVector() {

/**

vector<T> 它与Array不同，它的大小是可变的

*/

std::vector<std::string> v;

// 增加容器的容量，至少容纳 20 个元素

v.reserve(20);

// 初始化一个向量

std::vector<int> v2 = {2, 4, 5, 7};

// 以数组初始化一个vector

std::array<std :: string, 5> words {"one", "two","three", "four", "five"};

std::vector<std::string> words_copy {std::begin(words) , std::end(words)};

// 通过 v[index] 获取或者修改元素

std::cout << "v[0] = " << v2[1] << std::endl;

// 获取第一个元素

std::cout << "v.front() = " << v2.front() << std::endl;

// 在末尾插入值为 9

v2.push_back(9);

// 在末尾插入值为 2

v2.emplace_back(2);

// 删除第一个元素，传入的值是一个迭代器

v2.erase(v2.begin());

// 长度

v2.size();

// 删除所有元素

v2.clear();

// 删除末尾元素

v2.pop_back();

// 在末尾插入元素

v2.insert(v2.end(), 3);

}

双向链表 list 

双向链表具有指向前一个节点和后一个节点的指针。C++ 中本身提供了双向链表的实现。

#include <list>

void testList() {

list<string> words {"hello", "list"};

// 头部插入元素

words.push_front("push_fron");

words.emplace_front("emplace_front");

// 尾部插入

words.push_back("push_back");

words.emplace_back("emplace_back");

// 指定位置插入

words.insert(words.begin()++, "insert");

// 删除元素

words.remove("push_fron");

// 通过迭代器来访问链表中的元素

list<string>::iterator beg_iter = words.begin();

list<string>::iterator end_iter = words.end();

cout << "beg_iter:" << *beg_iter << endl;

cout << "end_iter:" << *end_iter << endl;

 

for (auto a : words) {

cout << a << endl;

}

}

单链表 forward_list 

单链表只有指向下一个节点的指针，前面关于单链表我们做了好多算法题。

#include <forward_list>

void testForwardList() {

forward_list<string> flist {"name", "lefe", "hello"};

// 计算它的大小

auto count = distance(begin(flist), end(flist));

cout << "size:" << count << endl;

// 头部插入

flist.push_front("before3");

// 在头部插入

flist.insert_after(flist.begin(), "before2");

// 在头结点前面插入

flist.insert_after(flist.before_begin(), "before1");

// 遍历单链表

for (auto word : flist) {

cout << word << endl;

}

}

队列 queue

队列是一种先进先出的数据结构，C++底层使用「双端队列」实现。关于队列的更多内容，可以看这篇内容 图解设计一个循环队列。

#include <queue>

void testQueue() {

queue<int> s;

// 入队

s.push(1);

// 出队

s.pop();

// 队首

s.front();

// 队尾

s.back();

// 队大小

s.size();

}

双端队列deque

双端队列可以对队头和队尾元素进行操作。在做算法的时候我们设计过一个双端队列图解设计一个双端队列。 

void testDeque() {

// 初始化一个空双端队列

deque<int> my_deque;

// 初始化一个含有两个元素双端队列

deque<string> name_queue {"lefe", "wsy"};

cout << "[0] = " << name_queue[0] << endl;

// 获取队头元素

cout << "front = " << name_queue.front() << endl;

// 获取队尾元素

cout << "back = " << name_queue.back() << endl;

// 从尾部入队

name_queue.push_back("bx");

name_queue.pop_front();

}

优先队列 priority_queue

优先队列和普通队列一样只能在队尾插入元素，队头删除元素，但是它有一个特点，队头永远是优先级最大的元素，出队顺序与入队顺序无关。C++ 中的底层使用「堆」实现的，这样时间复杂度可以控制在 O（logn）。

void testPriorityQueue() {

// 创建优先队列

priority_queue<int> q;

// 向队列中添加元素

q.push(4);

q.push(1);

for(int i = 0 ; i < q.size() ; i++) {

cout << q.top() << endl;

// 删除第一个元素

q.pop();

}

// 队列是否为空

q.empty();

}

堆heap

堆是一颗完全二叉树，某个节点的值总是不大于父节点的值（大根堆），可以使用数组来表示一个堆，C++ 默认提供的是大根堆。在堆排序中我们有详细介绍了堆。 图解排序 6/10 - 堆排序（题目写出了）。在这篇文章中，我们实现了一个堆动手写个“堆”。 

C++ 中的堆是通过算法实现的，需要导入 #include <algorithm>

#include <algorithm>

void testHeap() {

vector<int> numbers {6, 20, 7, 3, 5};

/**提供判断方法*/

// make_heap(numbers.begin(), numbers.end(), [](int a,int b){return a < b;});

// 创建堆后，numbers 中元素的值为: 20，6，7，3，5，大根堆

make_heap(numbers.begin(), numbers.end(), [](int a,int b){return a < b;});

// 向堆中添加元素

numbers.push_back(40);

// 重组堆：40，6，20，3，5，7 大根堆，调用 push_heap 先确保先前的 vertor 是个堆

push_heap(numbers.begin(), numbers.end());

// 移除堆顶元素，需要把 numbers 中的尾部元素移除，不会自动移除

pop_heap(numbers.begin(), numbers.end());

numbers.pop_back();

}

栈 stack 

栈是一种先进后出的数据结构，C++ 底层使用双端队列实现。在以前最小栈算法中我们详细介绍了这种数据结构。 图解最小栈（LeetCode155. Min Stack） 。

#include <stack>

void testStack() {

stack<int> s;

s.push(1);

s.pop();

cout << "top=" << s.top() << endl;

s.size();

}

映射 map、unordered_map

map 是一种保存 key 和 vaule 的数据结构，key 是唯一的。C++ 中提供了有序的 map 和无序的 map 「unordered_map」。

#include <unordered_map>

#include <map>

void testMap() {

// 初始化

map<string, string> m;

pair<map<string, string>::iterator, bool> ret_iter =

m.insert(pair<string, string>("name", "lefe"));

if (ret_iter.second == false) {

cout << "name have existed" << endl;

}

// 初始化

map<int, string> m2 = {

{2014, "iOS"},

{2015, "Android"},

};

// 单值插入

m["name"] = "wsy";

// 多值插入

m.insert({{"age", "20"}, {"from", "nmg"}});

cout << "size = " << m.size() << endl;

// 使用迭代器删除

m.erase(m.begin());

// 查找

map<string, string>::iterator find_iter = m.find("from");

if (find_iter != m.end()) {

cout << "find" << endl;

}

// 遍历, key 是有序的

for (pair<string, string> v : m) {

cout << v.first << " = " << v.second << endl;

}

// 删除全部元素

m.clear();

}

pair

pair中保存了两个值，这两个值的类型可以是任意类型，也可以不同。通过 first 和 second 来获取对应的值。

void testPair() {

pair<string, string> p = {"name", "lefex"};

// 通过first 和 second 来获取第一个和第二个值

cout << p.first;

cout << p.second;

}

元组 tuple

它是 pair 的扩充版，可以存储多个不同类型的元素。

void testTuple() {

pair<string, string> p = {"name", "lefe"};

// 创建一个 tuple，类型为 <strinng, int, double, pair>

auto my_tuple = make_tuple("name", 20, 10.3, p);

// 获取第一个元素

cout << "0 = " << get<0>(my_tuple) << endl;

// 获取第二个元素

cout << "1 = " << get<1>(my_tuple) << endl;

}

集合 set 

集合中不能存储相同的元素，它底层基于平衡二叉树实现，在前面的文章中我们通过二分搜索树实现了 set。使用 BST 实现 Set。在 C++ 中 set 是有序的，同时也提供了无序的 set 「UnorderSet」。 

#include <set>

#include <unordered_set>

void testSet() {

set<int> s {7, 3, 4};

s.insert(5);

// 3,4,5,7

for (auto v : s) {

cout << v << endl;

}

 

unordered_set<int> us {7, 3, 4};

us.insert(5);

// 7,3,4,5

for (auto v : us) {

cout << v << endl;

}

}

总结

我们介绍了 C++ 语言本身提供的数据结构，有线性结构和非线性结构。这些数据结构在其它语言中几乎也会提供，而且底层实现基本一致，所有只有掌握了这些数据结构原理，在学习一门其它语言变的非常轻松，调用 API 时更爽。