图解！24张图彻底弄懂九大常见数据结构！

数据结构想必大家都不会陌生，对于一个成熟的程序员而言，熟悉和掌握数据结构和算法也是基本功之一。数据结构本身其实不过是数据按照特点关系进行存储或者组织的集合，特殊的结构在不同的应用场景中往往会带来不一样的处理效率。

常用的数据结构可根据数据访问的特点分为线性结构和非线性结构。线性结构包括常见的链表、栈、队列等，非线性结构包括树、图等。数据结构种类繁多，本文将通过图解的方式对常用的数据结构进行理论上的介绍和讲解，以方便大家掌握常用数据结构的基本知识。

本文提纲

数组可以说是最基本最常见的数据结构。数组一般用来存储相同类型的数据，可通过数组名和下标进行数据的访问和更新。数组中元素的存储是按照先后顺序进行的，同时在内存中也是按照这个顺序进行连续存放。数组相邻元素之间的内存地址的间隔一般就是数组数据类型的大小。

链表相较于数组，除了数据域，还增加了指针域用于构建链式的存储数据。链表中每一个节点都包含此节点的数据和指向下一节点地址的指针。由于是通过指针进行下一个数据元素的查找和访问，使得链表的自由度更高。

这表现在对节点进行增加和删除时，只需要对上一节点的指针地址进行修改，而无需变动其它的节点。不过事物皆有两极，指针带来高自由度的同时，自然会牺牲数据查找的效率和多余空间的使用。

一般常见的是有头有尾的单链表，对指针域进行反向链接，还可以形成双向链表或者循环链表。

链表和数组在实际的使用过程中需要根据自身的优劣势进行选择。链表和数组的异同点也是面试中高频的考察点之一。这里对单链表和数组的区别进行了对比和总结。

从上面的对比中可以看出，链表虽然通过增加指针域提升了自由度，但是却导致数据的查询效率恶化。特别是当链表长度很长的时候，对数据的查询还得从头依次查询，这样的效率会更低。跳表的产生就是为了解决链表过长的问题，通过增加链表的多级索引来加快原始链表的查询效率。这样的方式可以让查询的时间复杂度从O(n)提升至O(logn)。

跳表通过增加的多级索引能够实现高效的动态插入和删除，其效率和红黑树和平衡二叉树不相上下。目前redis和levelDB都有用到跳表。

从上图可以看出，索引级的指针域除了指向下一个索引位置的指针，还有一个down指针指向低一级的链表位置，这样才能实现跳跃查询的目的。

栈是一种比较简单的数据结构，常用一句话描述其特性，后进先出。栈本身是一个线性表，但是在这个表中只有一个口子允许数据的进出。这种模式可以参考腔肠动物...即进食和排泄都用一个口...

栈的常用操作包括入栈push和出栈pop，对应于数据的压入和压出。还有访问栈顶数据、判断栈是否为空和判断栈的大小等。由于栈后进先出的特性，常可以作为数据操作的临时容器，对数据的顺序进行调控，与其它数据结构相结合可获得许多灵活的处理。

队列是栈的兄弟结构，与栈的后进先出相对应，队列是一种先进先出的数据结构。顾名思义，队列的数据存储是如同排队一般，先存入的数据先被压出。常与栈一同配合，可发挥最大的实力。

树作为一种树状的数据结构，其数据节点之间的关系也如大树一样，将有限个节点根据不同层次关系进行排列，从而形成数据与数据之间的父子关系。常见的数的表示形式更接近“倒挂的树”，因为它将根朝上，叶朝下。

树的数据存储在结点中，每个结点有零个或者多个子结点。没有父结点的结点在最顶端，成为根节点；没有非根结点有且只有一个父节点；每个非根节点又可以分为多个不相交的子树。

这意味着树是具备层次关系的，父子关系清晰，家庭血缘关系明朗；这也是树与图之间最主要的区别。

别看树好像很高级，其实可看作是链表的高配版。树的实现就是对链表的指针域进行了扩充，增加了多个地址指向子结点。同时将“链表”竖起来，从而凸显了结点之间的层次关系，更便于分析和理解。

树可以衍生出许多的结构，若将指针域设置为双指针，那么即可形成最常见的二叉树，即每个结点最多有两个子树的树结构。二叉树根据结点的排列和数量还可进一度划分为完全二叉树、满二叉树、平衡二叉树、红黑树等。

完全二叉树：除了最后一层结点，其它层的结点数都达到了最大值；同时最后一层的结点都是按照从左到右依次排布。

满二叉树：除了最后一层，其它层的结点都有两个子结点。

平衡二叉树又被称为AVL树，它是一棵二叉排序树，且具有以下性质：它是一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1，并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。

二叉排序树：是一棵空树，或者：若它的左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；若它的右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；它的左、右子树也分别为二叉排序树。

树的高度：结点层次的最大值

平衡因子：左子树高度 - 右子树高度

二叉排序树意味着二叉树中的数据是排好序的，顺序为左结点E，其它顶点亦如此。

通过邻接表可以获得从某个顶点出发能够到达的顶点，从而省去了对不相连顶点的存储空间。然而，这还不够。对于有向图而言，图中有效信息除了从顶点“指出去”的信息，还包括从别的顶点“指进来”的信息。这里的“指出去”和“指进来”可以用出度和入度来表示。

入度：有向图的某个顶点作为终点的次数和。 出度：有向图的某个顶点作为起点的次数和。

由此看出，在对有向图进行表示时，邻接表只能求出图的出度，而无法求出入度。这个问题很好解决，那就是增加一个表用来存储能够到达某个顶点的相邻顶点。这个表称作逆邻接表。

逆邻接表与邻接表结构类似，只不过图的顶点链接着能够到达该顶点的相邻顶点。也就是说，邻接表时顺着图中的箭头寻找相邻顶点，而逆邻接表时逆着图中的箭头寻找相邻顶点。

邻接表和逆邻接表的共同使用下，就能够把一个完整的有向图结构进行表示。可以发现，邻接表和逆邻接表实际上有一部分数据时重合的，因此可以将两个表合二为一，从而得到了所谓的十字链表。

十字链表似乎很简单，只需要通过相同的顶点分别链向以该顶点为终点和起点的相邻顶点即可。

但这并不是最优的表示方式。虽然这样的方式共用了中间的顶点存储空间，但是邻接表和逆邻接表的链表节点中重复出现的顶点并没有得到重复利用，反而是进行了再次存储。因此，上图的表示方式还可以进行进一步优化。

十字链表优化后，可通过扩展的顶点结构和边结构来进行正逆邻接表的存储：（下面的弧头可看作是边的箭头那端，弧尾可看作是边的圆点那端）

data：用于存储该顶点中的数据； firstin指针：用于连接以当前顶点为弧头的其他顶点构成的链表，即从别的顶点指进来的顶点； firstout指针：用于连接以当前顶点为弧尾的其他顶点构成的链表，即从该顶点指出去的顶点；

边结构通过存储两个顶点来确定一条边，同时通过分别代表这两个顶点的指针来与相邻顶点进行链接：

tailvex：用于存储作为弧尾的顶点的编号； headvex：用于存储作为弧头的顶点的编号； headlink 指针：用于链接下一个存储作为弧头的顶点的节点； taillink 指针：用于链接下一个存储作为弧尾的顶点的节点；

以上图为例子，对于顶点A而言，其作为起点能够到达顶点E。因此在邻接表中顶点A要通过边AE（即边04）指向顶点E，顶点A的firstout指针需要指向边04的tailvex。同时，从B出发能够到达A，所以在逆邻接表中顶点A要通过边AB（即边10）指向B，顶点A的firstin指针需要指向边10的弧头，即headlink指针。依次类推。

十字链表采用了一种看起来比较繁乱的方式对边的方向性进行了表示，能够在尽可能降低存储空间的情况下增加指针保留顶点之间的方向性。具体的操作可能一时间不好弄懂，建议多看几次上图，弄清指针指向的意义，明白正向和逆向邻接表的表示。

数据结构博大精深，没有高等数学的讳莫如深，也没有量子力学的玄乎其神，但是其在计算机科学的各个领域都具有强大的力量。本文试图采用图解的方式对九种数据结构进行理论上的介绍，但是其实这都是不够的。

即便是简单的数组、栈、队列等结构，在实际使用以及底层实现上都会有许多优化设计以及使用技巧，这意味着还需要真正把它们灵活的用起来，才能够算是真正意义上的熟悉和精通。但是本文可以作为常见数据结构的一个总结，当你对某些结构有些淡忘的时候，不妨重新回来看看。