数据结构与算法专题：走近数据结构

Posted 2021-04-12 爱凡在线

程序对于今天的我们来说早已不是一个陌生的概念。手机里的APP、电脑上的软件、常玩的游戏都是程序。

1.认识数据

2.数据的存储方式

这些我们认知中的数据，在软件中是以什么样的方式存在的？怎样存储有利于节省空间？如何编排能够确保检索、计算、显示更加快速？

对上述问题的考量，我们需要在程序中为数据设计合适的存储结构来进行数据的编排。这种设计出来的数据存储方式，我们称它们为数据结构。

常见的数据结构有数组、堆栈、链表、树、图、哈希表、散列表等。在接下来的课程里，我们会逐一呈现各个结构的定义、特性、适合应用的场景。在真实的程序设计中，数据结构并不是唯一的，可能是其中某一种，也可以是几种的结合，或者在这些结构的基础上创造出自己特有的结构。但是学好这些最常见的结构，是我们在未来深入使用的基础。

在今天，随着软件开发工具的不断多样化，平台的越来越丰富，很多数据结构的功能已经被相应的开发软件整合在一起，无需开发人员花太多的时间去研究和重写。我们在信息系统开发中会将所有的数据存储在数据库中，例如：ACCESS、MS SQLSERVER、mysql等，下面是一张存储在数据库中的表，它是二维的，有行和列，我们所需要的数据被有序地存储在其中：

如果我们要从这些数据中挑选出所有1990年入职的员工，我们只需要使用下面的指令：
select * from employee
where year(hire_date)=1990

如果我们需要对过滤出来的人员按照姓名的首个字母进行排序，我们只要使用下面的指令：
select * from employee
where year(hire_date)=1990
order by fName 
下图是我们运行上面的指令后，数据库自动帮我们检索出来并进行排序后的结果。

我们经常使用EXCEL，用它处理数据的统计核算十分方便，它的功能和上面见到的表单的功能十分类似。

那么，我们是不是就不需要学习数据结构了？当然不是。应用程序对通用的数据存储、计算、过滤等进行了封装，方便我们快速使用，但是面对核心的运算，个性化的处理，依旧需要将数据加载到我们设定好的数据结构里面，进行定制化的处理和运算。这些数据结构通常创建在计算机的内存中，使得计算更加快速高效。反之，如果把数据存储在数据库或其它文件中，我们就需要频繁的将它们从文件中读取到内存中，极大耗用资源，降低速度。

例如：我们要判断下面的九宫格是否符合数独的解题要求。

我们可以为它创建二维的表格来存储这些数据，如下图：

我们也可以用有81个字符的字符串来存储这些数据，如： istr="625341798-498672315-371598426-852167934-149835672-736429581-587916243-263784159-914253867"; 

3.算法

在上面的案例中，我们使用了两种数据结构来存储81个数独数字。那么我们如何来判断这81个数字是否符合数独的要求？于是我们就需要编写算法来完成。
以下图为例：

1.我们首先需要判断1-9行，每一行是不是只存在数字1-9，且没有重复的数字出现。
2.接下来我们需要判断1-9列，每一列是不是只存在数字1-9，且没有重复的数字出现。
3.最后，我们还需要判断每个3*3的9个格子中，是不是只存在数字1-9，且没有重复的数字出现。
4.如果以上3种判断，有一个地方出现与条件不符，我们认为当前的81个字符不符合数独要求。
5.否则，数独要求成立。

如果我们把上面的判断过程，用程序语言或者伪程序表示出来，这就是算法。算法是计算机解决一个问题所经过的一连串的步骤。它包含数据的输入、数据的处理、数据的输出。

例如我们要检查幼儿园里的孩子有没有注射问题疫苗，就需要经过一系列的运算：
1.首先将问题疫苗的批次写在黑板上。
2.将孩子的疫苗本一本本的放在桌上，并翻到注射记录的页面。
3.比对第一个孩子的注射记录，是否有问题疫苗的批次出现，如果没有，则安全，放在左边。如果有，则放在右边。
4.比对第二个孩子的注射记录，是否有问题疫苗的批次出现，如果没有，则安全，放在左边。如果有，则放在右边。
5.比对第三个孩子的注射记录，是否有问题疫苗的批次出现，如果没有，则安全，放在左边。如果有，则放在右边。
......
6.到所有孩子的记录比对完毕，那么左边的所有孩子是安全的。右边的所有孩子是注射过问题疫苗的孩子。
7.我们将注射过问题疫苗孩子的姓名，注射时间等信息统一登记到一张纸上。
8.将疫苗本整理归档，上交注射过问题疫苗孩子的名单。
在计算机的世界里，这样的计算操作过程，我们把它称为算法。

无论是哪种算法，都会涉及到对数据的处理。数据以什么样的方式组织存储起来，靠的是数据结构；而如何进行数据的演算，靠得则是数学。在数学逻辑之下，用计算机的解决过程，我们称为算法。后续的课程中，我们会向大家介绍很多经典的算法，了解它们，对未来更为高效的程序设计有着重要的作用，你也可以领略到数学如何在计算机领域中扮演重要的角色。

4.程序设计语言

算法有两种：一种是伪算法，只是用来描述算法的过程，不具备程序运行的能力；一种则是真实的程序，可以通过计算机运行并得出结果。在这里，我们对算法的要求会更高一点，不仅要求具备解决问题的能力，还要求能够动态显示算法的计算过程，及过程中的数据变化。因此就需要运用程序设计语言来进行实现。

在后续的课程中，我们将使用两种程序设计语言，分别是VB和python。VB在可视化编程中因为入门简单、环境搭建便捷、语法干练而深受初学者的喜爱，而且很多直观呈现的效果使用VB来创建，更为高效和简洁；而python的粘性更强，编码效率更高，能够为VB搭建很多VB做不到的功能。因此我们把两者整合在一起来学习，欢迎你的关注。

5.本专题适合的人群

程序设计初学者。我们在设计程序设计专题的时候分为两个步骤来进行：
一、学习程序设计的基本语法和语言逻辑，解决一些数学上的难题，实现程序设计的入门。
二、用程序设计来解决企业真实的管理需求，强化程序设计在行业上的应用。

本专题是你涉及的第一步，不用担心自己没有一点程序设计的基础。其中用到的关于变量、各种语法、函数等专用的概念，我们会在一个个数据结构和算法的实例中进行渗透讲解，力求在解决问题的过程中，直观呈现这些深奥的内容，使上手更容易。

希望我们能够带你走入一个神奇的世界。