链表和顺序表的一些区别

Posted 2021-01-15 treasure716

顺序表与链表是非常基本的数据结构，它们可以被统称为线性表。
线性表（Linear List）是由 n（n≥0）个数据元素（结点）a[0]，a[1]，a[2]…，a[n-1] 组成的有限序列。
顺序表和链表，是线性表的不同存储结构。它们各自有不同的特点和适用范围。针对它们各自的缺点，也有很多改进的措施。

一、顺序表

顺序表一般表现为数组，使用一组地址连续的存储单元依次存储数据元素，如图 1 所示。它具有如下特点：

• 长度固定，必须在分配内存之前确定数组的长度。
• 存储空间连续，即允许元素的随机访问。
• 存储密度大，内存中存储的全部是数据元素。
• 要访问特定元素，可以使用索引访问，时间复杂度为 。
• 要想在顺序表中插入或删除一个元素，都涉及到之后所有元素的移动，因此时间复杂度为 。
  
  
  
  
  图 1 顺序表
  
  顺序表最主要的问题就是要求长度是固定的，可以使用倍增-复制的办法来支持动态扩容，将顺序表变成“可变长度”的。
  具体做法是初始情况使用一个初始容量（可以指定）的数组，当元素个数超过数组的长度时，就重新申请一个长度为原先二倍的数组，并将旧的数据复制过去，这样就可以有新的空间来存放元素了。这样，列表看起来就是可变长度的。
  一个简单的实现如下所示，初始的容量为 4。

#include <string.h>
 
struct sqlist {
    int *items, size, capacity;
    sqlist():size(0), capacity(4) {
        // initial capacity = 4
        items = new int[capacity];
    }
    void doubleCapacity() {
        capacity *= 2;
        int* newItems = new int[capacity];
        memcpy(newItems, items, sizeof(int)*size);
        delete[] items;
        items = newItems;
    }
    void add(int value) {
        if (size >= capacity) {
            doubleCapacity();
        }
        items[size++] = value;
    }
};

这个办法不可避免的会浪费一些内存，因为数组的容量总是倍增的。而且每次扩容的时候，都需要将旧的数据全部复制一份，肯定会影响效率。不过实际上，这样做还是直接使用链表的效率要高，具体原因会在下一节进行分析。

二、链表

链表，类似它的名字，表中的每个节点都保存有指向下一个节点的指针，所有节点串成一条链。根据指针的不同，还有单链表、双链表和循环链表的区分，如图 2 所示。

图 2 链表

单链表是只包含指向下一个节点的指针，只能单向遍历。
双链表即包含指向下一个节点的指针，也包含指向前一个节点的指针，因此可以双向遍历。
循环单链表则是将尾节点与首节点链接起来，形成了一个环状结构，在某些情况下会非常有用。
还有循环双链表，与循环单链表类似，这里就不再赘述。
由于链表是使用指针将节点连起来，因此无需使用连续的空间，它具有以下特点：

• 长度不固定，可以任意增删。
• 存储空间不连续，数据元素之间使用指针相连，每个数据元素只能访问周围的一个元素（根据单链表还是双链表有所不同）。
• 存储密度小，因为每个数据元素，都需要额外存储一个指向下一元素的指针（双链表则需要两个指针）。
• 要访问特定元素，只能从链表头开始，遍历到该元素，时间复杂度为 。
• 在特定的数据元素之后插入或删除元素，不涉及到其他元素的移动，因此时间复杂度为 。双链表还允许在特定的数据元素之前插入或删除元素。
  在上一节说到，利用倍增-复制的办法，同样可以让顺序表长度可变，而且效率比链表还要好，下面就简单的实现一个单链表来验证这一点，至于元素插入的顺序就不要在意了。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
  
struct node {
    int value;
    node *next;
};
struct llist {
    node *head;
    void add(int value) {
        node *newNode = new node();
        newNode->value = value;
        newNode->next = head;
        head = newNode;
    }
};
 
int main() {
    int size = 100000;
    sqlist list1;
    llist list2;
    long start = clock();
    for (int i = 0;i < size;i++) {
        list1.add(i);
    }
    long end = clock();
    printf("sequence list: %d
", end - start);
    start = clock();
    for (int i = 0;i < size;i++) {
        list2.add(i);
    }
    end = clock();
    printf("linked list: %d
", end - start);
    return 0;
}

在我的电脑上，链表的耗时大约是顺序表的 4~8 倍。会这样，是因为数组只需要很少的几次大块内存分配，而链表则需要很多次小块内存分配，内存分配操作相对是比较慢的，因而大大拖慢了链表的速度。这也是为什么会出现内存池。

因此，链表并不像理论分析的那样美好，在实际应用中要受很多条件制约，一般情况下还是安心用顺序表的好。