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1.2   算法是什么

1.2.1   算法定义

算法(algorithm)是在有限时间内解决特定问题的一组指令或操作步骤,它具有以下特性。

  • 问题是明确的,包含清晰的输入和输出定义。
  • 具有可行性,能够在有限步骤、时间和内存空间下完成。
  • 各步骤都有确定的含义,在相同的输入和运行条件下,输出始终相同。

1.2.2   数据结构定义

数据结构(data structure)是组织和存储数据的方式,涵盖数据内容、数据之间关系和数据操作方法,它具有以下设计目标。

  • 空间占用尽量少,以节省计算机内存。
  • 数据操作尽可能快速,涵盖数据访问、添加、删除、更新等。
  • 提供简洁的数据表示和逻辑信息,以便算法高效运行。

数据结构设计是一个充满权衡的过程。如果想在某方面取得提升,往往需要在另一方面作出妥协。下面举两个例子。

  • 链表相较于数组,在数据添加和删除操作上更加便捷,但牺牲了数据访问速度。
  • 图相较于链表,提供了更丰富的逻辑信息,但需要占用更大的内存空间。

1.2.3   数据结构与算法的关系

如图 1-4 所示,数据结构与算法高度相关、紧密结合,具体表现在以下三个方面。

  • 数据结构是算法的基石。数据结构为算法提供了结构化存储的数据,以及操作数据的方法。
  • 算法是数据结构发挥作用的舞台。数据结构本身仅存储数据信息,结合算法才能解决特定问题。
  • 算法通常可以基于不同的数据结构实现,但执行效率可能相差很大,选择合适的数据结构是关键。

数据结构与算法的关系

图 1-4   数据结构与算法的关系

数据结构与算法犹如图 1-5 所示的拼装积木。一套积木,除了包含许多零件之外,还附有详细的组装说明书。我们按照说明书一步步操作,就能组装出精美的积木模型。

拼装积木

图 1-5   拼装积木

两者的详细对应关系如表 1-1 所示。

表 1-1   将数据结构与算法类比为拼装积木

数据结构与算法 拼装积木
输入数据 未拼装的积木
数据结构 积木组织形式,包括形状、大小、连接方式等
算法 把积木拼成目标形态的一系列操作步骤
输出数据 积木模型

值得说明的是,数据结构与算法是独立于编程语言的。正因如此,本书得以提供基于多种编程语言的实现。

约定俗成的简称

在实际讨论时,我们通常会将“数据结构与算法”简称为“算法”。比如众所周知的 LeetCode 算法题目,实际上同时考查数据结构和算法两方面的知识。

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