web常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及復(fù)雜度實(shí)例分析

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如何選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Array (T[])

  • 當(dāng)元素的數(shù)量是固定的,并且需要使用下標(biāo)時(shí)。

Linked list (LinkedList<T>)

  • 當(dāng)元素需要能夠在列表的兩端添加時(shí)。否則使用 List<T>。

Resizable array list (List<T>)

  • 當(dāng)元素的數(shù)量不是固定的,并且需要使用下標(biāo)時(shí)。

Stack (Stack<T>)

  • 當(dāng)需要實(shí)現(xiàn) LIFO(Last In First Out)時(shí)。

Queue (Queue<T>)

  • 當(dāng)需要實(shí)現(xiàn) FIFO(First In First Out)時(shí)。

Hash table (Dictionary<K,T>)

  • 當(dāng)需要使用鍵值對(duì)(Key-Value)來快速添加和查找,并且元素沒有特定的順序時(shí)。

Tree-based dictionary (SortedDictionary<K,T>)

  • 當(dāng)需要使用價(jià)值對(duì)(Key-Value)來快速添加和查找,并且元素根據(jù) Key 來排序時(shí)。

Hash table based set (HashSet<T>)

  • 當(dāng)需要保存一組唯一的值,并且元素沒有特定順序時(shí)。

Tree based set (SortedSet<T>)

  • 當(dāng)需要保存一組唯一的值,并且元素需要排序時(shí)。

Array

在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中,數(shù)組(Array)是最簡(jiǎn)單的而且應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。在任何編程語言中,數(shù)組都有一些共性:

  • 數(shù)組中的內(nèi)容是使用連續(xù)的內(nèi)存(Contiguous Memory)來存儲(chǔ)的。

  • 數(shù)組中的所有元素必須是相同的類型,或者類型的衍生類型。因此數(shù)組又被認(rèn)為是同質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Homegeneous Data Structures)。

  • 數(shù)組的元素可以直接被訪問。比如你需要訪問數(shù)組的第 i 個(gè)元素,則可以直接使用 arrayName[i] 來訪問。

對(duì)于數(shù)組的常規(guī)操作包括:

  • 分配空間(Allocation)

  • 數(shù)據(jù)訪問(Accessing)

在 C# 中,可以通過如下的方式聲明數(shù)組變量。

1 int allocationSize = 10;2 bool[] booleanArray = new bool[allocationSize];3 FileInfo[] fileInfoArray = new FileInfo[allocationSize];

上面的代碼將在 CLR 托管堆中分配一塊連續(xù)的內(nèi)存空間,用以容納數(shù)量為 allocationSize ,類型為 arrayType 的數(shù)組元素。如果 arrayType 為值類型,則將會(huì)有 allocationSize 個(gè)未封箱(unboxed)的 arrayType 值被創(chuàng)建。如果 arrayType 為引用類型,則將會(huì)有 allocationSize 個(gè) arrayType 類型的引用被創(chuàng)建。

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如果我們?yōu)?FileInfo[] 數(shù)組中的一些位置賦上值,則引用關(guān)系為下圖所示。

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但這些靈活性是以犧牲性能為代價(jià)的。在上面 Array 的描述中,我們知道 Array 在存儲(chǔ)值類型時(shí)是采用未裝箱(unboxed)的方式。由于 ArrayList 的 Add 方法接受 object 類型的參數(shù),導(dǎo)致如果添加值類型的值會(huì)發(fā)生裝箱(boxing)操作。這在頻繁讀寫 ArrayList 時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的開銷,導(dǎo)致性能下降。

List<T>

當(dāng) .NET 中引入泛型功能后,上面 ArrayList 所帶來的性能代價(jià)可以使用泛型來消除。.NET 提供了新的數(shù)組類型 List<T>。

泛型允許開發(fā)人員在創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)推遲數(shù)據(jù)類型的選擇,直到使用時(shí)才確定選擇哪種類型。泛型(Generics)的主要優(yōu)點(diǎn)包括:

  • 類型安全(Type Safety):使用泛型定義的類型,在使用時(shí)僅能使用指定的類型或類型的衍生類型。

  • 性能(Performance):泛型移除了運(yùn)行時(shí)類型檢測(cè),消除了裝箱和拆箱的開銷。

  • 可重用(Reusability):泛型打破了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型之間的緊耦合。這提高了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可重用性。

List<T> 等同于同質(zhì)的一維數(shù)組(Homogeneous self-redimensioning array)。它像 Array 一樣可以快速的讀取元素,還可以保持長(zhǎng)度可變的靈活性。

1       // 創(chuàng)建 int 類型列表2       List<int> myFavoriteIntegers = new List<int>();3 4       // 創(chuàng)建 string 類型列表5       List<string> friendsNames = new List<string>();

List<T> 內(nèi)部同樣使用 Array 來實(shí)現(xiàn),但它隱藏了這些實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。當(dāng)創(chuàng)建 List<T> 時(shí)無需指定初始長(zhǎng)度,當(dāng)添加元素到 List<T> 中時(shí),也無需關(guān)心數(shù)組大小的調(diào)整(resize)問題。

1   List<int> powersOf2 = new List<int>();2 3   powersOf2.Add(1);4   powersOf2.Add(2);5 6   powersOf2[1] = 10;7 8   int sum = powersOf2[1] + powersOf2[2];

List<T> 的漸進(jìn)運(yùn)行時(shí)(Asymptotic Running Time)復(fù)雜度與 Array 是相同的。

Queue<T>

當(dāng)我們需要使用先進(jìn)先出順序(FIFO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí),.NET 為我們提供了 Queue<T>。Queue<T> 類提供了 Enqueue 和 Dequeue 方法來實(shí)現(xiàn)對(duì) Queue<T> 的存取。

Queue<T> 內(nèi)部建立了一個(gè)存放 T 對(duì)象的環(huán)形數(shù)組,并通過 head 和 tail 變量來指向該數(shù)組的頭和尾。

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默認(rèn)情況下,Queue<T> 的初始化容量是 32,也可以通過構(gòu)造函數(shù)指定容量。

Enqueue 方法會(huì)判斷 Queue<T> 中是否有足夠容量存放新元素。如果有,則直接添加元素,并使索引 tail 遞增。在這里的 tail 使用求模操作以保證 tail 不會(huì)超過數(shù)組長(zhǎng)度。如果容量不夠,則 Queue<T> 根據(jù)特定的增長(zhǎng)因子擴(kuò)充數(shù)組容量。

默認(rèn)情況下,增長(zhǎng)因子(growth factor)的值為 2.0,所以內(nèi)部數(shù)組的長(zhǎng)度會(huì)增加一倍。也可以通過構(gòu)造函數(shù)中指定增長(zhǎng)因子。Queue<T> 的容量也可以通過 TrimExcess 方法來減少。

Dequeue 方法根據(jù) head 索引返回當(dāng)前元素,之后將 head 索引指向 null,再遞增 head 的值。

Stack<T>

當(dāng)需要使用后進(jìn)先出順序(LIFO)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí),.NET 為我們提供了 Stack<T>。Stack<T> 類提供了 Push 和 Pop 方法來實(shí)現(xiàn)對(duì) Stack<T> 的存取。

Stack<T> 中存儲(chǔ)的元素可以通過一個(gè)垂直的集合來形象的表示。當(dāng)新的元素壓入棧中(Push)時(shí),新元素被放到所有其他元素的頂端。當(dāng)需要彈出棧(Pop)時(shí),元素則被從頂端移除。

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Stack<T> 的默認(rèn)容量是 10。和 Queue<T> 類似,Stack<T> 的初始容量也可以在構(gòu)造函數(shù)中指定。Stack<T> 的容量可以根據(jù)實(shí)際的使用自動(dòng)的擴(kuò)展,并且可以通過 TrimExcess 方法來減少容量。

如果 Stack<T> 中元素的數(shù)量 Count 小于其容量,則 Push 操作的復(fù)雜度為 O(1)。如果容量需要被擴(kuò)展,則 Push 操作的復(fù)雜度變?yōu)?O(n)。Pop 操作的復(fù)雜度始終為 O(1)。

Hashtable

現(xiàn)在我們要使用員工的社保號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)。社保號(hào)的格式為 DDD-DD-DDDD(D 的范圍為數(shù)字 0-9)。

如果使用 Array 存儲(chǔ)員工信息,要查詢社保號(hào)為 111-22-3333 的員工,則將會(huì)嘗試遍歷數(shù)組的所有選擇,即執(zhí)行復(fù)雜度為 O(n) 的查詢操作。好一些的辦法是將社保號(hào)排序,以使查詢復(fù)雜度降低到 O(log(n))。但理想情況下,我們更希望查詢復(fù)雜度為 O(1)。

一種方案是建立一個(gè)大數(shù)組,范圍從 000-00-0000 到 999-99-9999 。

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這種方案的缺點(diǎn)是浪費(fèi)空間。如果我們僅需要存儲(chǔ) 1000 個(gè)員工的信息,那么僅利用了 0.0001% 的空間。

第二種方案就是用哈希函數(shù)(Hash Function)壓縮序列。

我們選擇使用社保號(hào)的后四位作為索引,以減少區(qū)間的跨度。這樣范圍將從 0000 到 9999。

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在數(shù)學(xué)上,將這種從 9 位數(shù)轉(zhuǎn)換為 4 位數(shù)的方式稱為哈希轉(zhuǎn)換(Hashing)??梢詫⒁粋€(gè)數(shù)組的索引空間(indexers space)壓縮至相應(yīng)的哈希表(Hash Table)。

在上面的例子中,哈希函數(shù)的輸入為 9 位數(shù)的社保號(hào),輸出結(jié)果為后 4 位。

H(x) = last four digits of x

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上圖中也說明在哈希函數(shù)計(jì)算中常見的一種行為:哈希沖突(Hash Collisions)。即有可能兩個(gè)社保號(hào)的后 4 位均為 0000。

當(dāng)要添加新元素到 Hashtable 中時(shí),哈希沖突是導(dǎo)致操作被破壞的一個(gè)因素。如果沒有沖突發(fā)生,則元素被成功插入。如果發(fā)生了沖突,則需要判斷沖突的原因。因此,哈希沖突提高了操作的代價(jià),Hashtable 的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要盡可能減低沖突的發(fā)生。

避免哈希沖突的一個(gè)方法就是選擇合適的哈希函數(shù)。哈希函數(shù)中的沖突發(fā)生的幾率與數(shù)據(jù)的分布有關(guān)。例如,如果社保號(hào)的后 4 位是隨即分布的,則使用后 4 位數(shù)字比較合適。但如果后 4 位是以員工的出生年份來分配的,則顯然出生年份不是均勻分布的,則選擇后 4 位會(huì)造成大量的沖突。

我們將選擇合適的哈希函數(shù)的方法稱為沖突避免機(jī)制(Collision Avoidance)。

在處理沖突時(shí),有很多策略可以實(shí)施,這些策略稱為沖突解決機(jī)制(Collision Resolution)。其中一種方法就是將要插入的元素放到另外一個(gè)塊空間中,因?yàn)橄嗤墓N恢靡呀?jīng)被占用。

例如,最簡(jiǎn)單的一種實(shí)現(xiàn)就是線性挖掘(Linear Probing),步驟如下:

  1. 當(dāng)插入新的元素時(shí),使用哈希函數(shù)在哈希表中定位元素位置;

  2. 檢查哈希表中該位置是否已經(jīng)存在元素。如果該位置內(nèi)容為空,則插入并返回,否則轉(zhuǎn)向步驟 3。

  3. 如果該位置為 i,則檢查 i+1 是否為空,如果已被占用,則檢查 i+2,依此類推,直到找到一個(gè)內(nèi)容為空的位置。

現(xiàn)在如果我們要將五個(gè)員工的信息插入到哈希表中:

  • Alice (333-33-1234)

  • Bob (444-44-1234)

  • Cal (555-55-1237)

  • Danny (000-00-1235)

  • Edward (111-00-1235)

則插入后的哈希表可能如下:

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元素的插入過程:

  • Alice 的社保號(hào)被哈希為 1234,因此存放在位置 1234。

  • Bob 的社保號(hào)被哈希為 1234,但由于位置 1234 處已經(jīng)存放 Alice 的信息,則檢查下一個(gè)位置 1235,1235 為空,則 Bob 的信息就被放到 1235。

  • Cal 的社保號(hào)被哈希為 1237,1237 位置為空,所以 Cal 就放到 1237 處。

  • Danny 的社保號(hào)被哈希為 1235,1235 已被占用,則檢查 1236 位置是否為空,1236 為空,所以 Danny 就被放到 1236。

  • Edward 的社保號(hào)被哈希為 1235,1235 已被占用,檢查1236,也被占用,再檢查1237,直到檢查到 1238時(shí),該位置為空,于是 Edward 被放到了1238 位置。

線性挖掘(Linear Probing)方式雖然簡(jiǎn)單,但并不是解決沖突的最好的策略,因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致同類哈希的聚集。這導(dǎo)致搜索哈希表時(shí),沖突依然存在。例如上面例子中的哈希表,如果我們要訪問 Edward 的信息,因?yàn)?Edward 的社保號(hào) 111-00-1235 哈希為 1235,然而我們?cè)?1235 位置找到的是 Bob,所以再搜索 1236,找到的卻是 Danny,以此類推直到找到 Edward。

一種改進(jìn)的方式為二次挖掘(Quadratic Probing),即每次檢查位置空間的步長(zhǎng)為平方倍數(shù)。也就是說,如果位置 s 被占用,則首先檢查 s + 12 處,然后檢查s - 12,s + 22,s - 22,s + 32 依此類推,而不是象線性挖掘那樣以 s + 1,s + 2 ... 方式增長(zhǎng)。盡管如此,二次挖掘同樣也會(huì)導(dǎo)致同類哈希聚集問題。

.NET 中的 Hashtable 的實(shí)現(xiàn),要求添加元素時(shí)不僅要提供元素(Item),還要為該元素提供一個(gè)鍵(Key)。例如,Key 為員工社保號(hào),Item 為員工信息對(duì)象??梢酝ㄟ^ Key 作為索引來查找 Item。

 1       Hashtable employees = new Hashtable(); 2  3       // Add some values to the Hashtable, indexed by a string key 4       employees.Add("111-22-3333", "Scott"); 5       employees.Add("222-33-4444", "Sam"); 6       employees.Add("333-44-55555", "Jisun"); 7  8       // Access a particular key 9       if (employees.ContainsKey("111-22-3333"))10       {11         string empName = (string)employees["111-22-3333"];12         Console.WriteLine("Employee 111-22-3333's name is: " + empName);13       }14       else15         Console.WriteLine("Employee 111-22-3333 is not in the hash table...");

Hashtable 類中的哈希函數(shù)比前面介紹的社保號(hào)的實(shí)現(xiàn)要更為復(fù)雜。哈希函數(shù)必須返回一個(gè)序數(shù)(Ordinal Value)。對(duì)于社保號(hào)的例子,通過截取后四位就可以實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上 Hashtable 類可以接受任意類型的值作為 Key,這都要?dú)w功于 GetHashCode 方法,一個(gè)定義在 System.Object 中的方法。GetHashCode 的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)將返回一個(gè)唯一的整數(shù),并且保證在對(duì)象的生命周期內(nèi)保持不變。

Hashtable 類中的哈希函數(shù)定義如下:

H(key) = [GetHash(key) + 1 + (((GetHash(key) >> 5) + 1) % (hashsize &ndash; 1))] % hashsize

這里的 GetHash(key) 默認(rèn)是調(diào)用 key 的 GetHashCode 方法以獲取返回的哈希值。hashsize 指的是哈希表的長(zhǎng)度。因?yàn)橐M(jìn)行求模,所以最后的結(jié)果 H(key) 的范圍在 0 至 hashsize - 1 之間。

當(dāng)在哈希表中添加或獲取一個(gè)元素時(shí),會(huì)發(fā)生哈希沖突。前面我們簡(jiǎn)單地介紹了兩種沖突解決策略:

  • 線性挖掘(Linear Probing)

  • 二次挖掘(Quadratic Probing)

在 Hashtable 類中則使用的是一種完全不同的技術(shù),稱為二度哈希(rehashing)(有些資料中也將其稱為雙精度哈希(double hashing))。

二度哈希的工作原理如下:

有一個(gè)包含一組哈希函數(shù) H1...Hn 的集合。當(dāng)需要從哈希表中添加或獲取元素時(shí),首先使用哈希函數(shù) H1。如果導(dǎo)致沖突,則嘗試使用 H2,以此類推,直到 Hn。所有的哈希函數(shù)都與 H1 十分相似,不同的是它們選用的乘法因子(multiplicative factor)。

通常,哈希函數(shù) Hk 的定義如下:

Hk(key) = [GetHash(key) + k * (1 + (((GetHash(key) >> 5) + 1) % (hashsize &ndash; 1)))] % hashsize

當(dāng)使用二度哈希時(shí),重要的是在執(zhí)行了 hashsize 次挖掘后,哈希表中的每一個(gè)位置都有且只有一次被訪問到。也就是說,對(duì)于給定的 key,對(duì)哈希表中的同一位置不會(huì)同時(shí)使用 Hi 和 Hj。在 Hashtable 類中使用二度哈希公式,其始終保持 (1 + (((GetHash(key) >> 5) + 1) % (hashsize &ndash; 1)) 與 hashsize 互為素?cái)?shù)(兩數(shù)互為素?cái)?shù)表示兩者沒有共同的質(zhì)因子)。

二度哈希較前面介紹的線性挖掘(Linear Probing)和二次挖掘(Quadratic Probing)提供了更好的避免沖突的策略。

Hashtable 類中包含一個(gè)私有成員變量 loadFactor,loadFactor 指定了哈希表中元素?cái)?shù)量與位置(slot)數(shù)量之間的最大比例。例如:如果 loadFactor 等于 0.5,則說明哈希表中只有一半的空間存放了元素值,其余一半都為空。

哈希表的構(gòu)造函數(shù)允許用戶指定 loadFactor 值,定義范圍為 0.1 到 1.0。然而,不管你提供的值是多少,范圍都不會(huì)超過 72%。即使你傳遞的值為 1.0,Hashtable 類的 loadFactor 值還是 0.72。微軟認(rèn)為loadFactor 的最佳值為 0.72,這平衡了速度與空間。因此雖然默認(rèn)的 loadFactor 為 1.0,但系統(tǒng)內(nèi)部卻自動(dòng)地將其改變?yōu)?0.72。所以,建議你使用缺省值1.0(但實(shí)際上是 0.72)。

向 Hashtable 中添加新元素時(shí),需要檢查以保證元素與空間大小的比例不會(huì)超過最大比例。如果超過了,哈希表空間將被擴(kuò)充。步驟如下:

  • 哈希表的位置空間幾乎被翻倍。準(zhǔn)確地說,位置空間值從當(dāng)前的素?cái)?shù)值增加到下一個(gè)最大的素?cái)?shù)值。

  • 因?yàn)槎裙r(shí),哈希表中的所有元素值將依賴于哈希表的位置空間值,所以表中所有值也需要重新二度哈希。

由此看出,對(duì)哈希表的擴(kuò)充將是以性能損耗為代價(jià)。因此,我們應(yīng)該預(yù)先估計(jì)哈希表中最有可能容納的元素?cái)?shù)量,在初始化哈希表時(shí)給予合適的值進(jìn)行構(gòu)造,以避免不必要的擴(kuò)充。

Dictionary<K,T>

Hashtable 類是一個(gè)類型松耦合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),開發(fā)人員可以指定任意的類型作為 Key 或 Item。當(dāng) .NET 引入泛型支持后,類型安全的 Dictionary<K,T> 類出現(xiàn)。Dictionary<K,T> 使用強(qiáng)類型來限制 Key 和 Item,當(dāng)創(chuàng)建 Dictionary<K,T> 實(shí)例時(shí),必須指定 Key 和 Item 的類型。

Dictionary<keyType, valueType> variableName = new Dictionary<keyType, valueType>();

如果繼續(xù)使用上面描述的社保號(hào)和員工的示例,我們可以創(chuàng)建一個(gè) Dictionary<K,T> 的實(shí)例:

Dictionary<int, Employee> employeeData = new Dictionary<int, Employee>();

這樣我們就可以添加和刪除員工信息了。

1 // Add some employees2 employeeData.Add(455110189) = new Employee("Scott Mitchell");3 employeeData.Add(455110191) = new Employee("Jisun Lee");4 5 // See if employee with SSN 123-45-6789 works here6 if (employeeData.ContainsKey(123456789))

Dictionary<K,T> 與 Hashtable 的不同之處還不止一處。除了支持強(qiáng)類型外,Dictionary<K,T> 還采用了不同的沖突解決策略(Collision Resolution Strategy),這種新的技術(shù)稱為鏈技術(shù)(chaining)。

前面使用的挖掘技術(shù)(probing),如果發(fā)生沖突,則將嘗試列表中的下一個(gè)位置。如果使用二度哈希(rehashing),則將導(dǎo)致所有的哈希被重新計(jì)算。而新的鏈技術(shù)(chaining)將采用額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理沖突。Dictionary<K,T> 中的每個(gè)位置(slot)都映射到了一個(gè)數(shù)組。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí),沖突的元素將被添加到桶(bucket)列表中。

下面的示意圖中描述了 Dictionary<K,T> 中的每個(gè)桶(bucket)都包含了一個(gè)鏈表以存儲(chǔ)相同哈希的元素。

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上圖中,該 Dictionary 包含了 8 個(gè)桶,也就是自頂向下的黃色背景的位置。一定數(shù)量的 Employee 對(duì)象已經(jīng)被添加至 Dictionary 中。如果一個(gè)新的 Employee 要被添加至 Dictionary 中,將會(huì)被添加至其 Key 的哈希所對(duì)應(yīng)的桶中。如果在相同位置已經(jīng)有一個(gè) Employee 存在了,則將會(huì)將新元素添加到列表的前面。

向 Dictionary 中添加元素的操作涉及到哈希計(jì)算和鏈表操作,但其仍為常量,復(fù)雜度為 O(1)。

對(duì) Dictionary 進(jìn)行查詢和刪除操作時(shí),其平均時(shí)間取決于 Dictionary 中元素的數(shù)量和桶(bucket)的數(shù)量。具體的說就是運(yùn)行時(shí)間為 O(n/m),這里 n 為元素的總數(shù)量,m 是桶的數(shù)量。但 Dictionary 幾乎總是被實(shí)現(xiàn)為 n = m,也就是說,元素的總數(shù)絕不會(huì)超過桶的總數(shù)。所以 O(n/m) 也變成了常量 O(1)。

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