## 6.1 概述
實際應用中所處理的數據經常是“大量同類型數據的集合”,例如一次物理實驗獲得的 大量實驗數據、一篇文章中的所有單詞、一幅畫布上的所有圖形等等,這幾個例子分別展示 了大量數值的集合、大量字符串的集合和大量對象的集合。為了表示和處理大量數據,編程 語言提供了集合體數據類型,如 Python 中的列表(list)、元組(tuple)、字典(dict)、集合(set)和文件(file)等。 一個問題中的大量數據通常是“相關的”,即數據之間存在特定的邏輯聯系。表示相關的大量數據時,必須將它們之間的邏輯聯系也表示出來。在程序設計中,為了方便、高效地 處理大量相關數據,常將各數據按照某種合適的存儲結構組織在一起,以便反映各數據之間 的邏輯聯系。數據結構(data structure)是計算機科學的一個分支,專門研究如何將大量相 關數據按特定的邏輯結構組織起來,以及如何高效地處理這些數據。
下面以字符串數據為例來說明上面這段話的含義。夸張一點說,字符串數據——如 "HELLO"——也是復雜數據,因為它是由一些更簡單的數據項(5 個字符"H"、"E"、"L"、 "L"和"O")組成的。為了在程序中能夠方便、高效地處理字符串"HELLO",我們將這 5 個字符視為以“連續存儲的序列結構”組織在一起,因為這種存儲結構最恰當地反映了 5 個字符之間的邏輯關系,從而最有利于數據處理的實現。反之,如果將 5 個字符東一個西一個地分散存儲,比如用幾個獨立的變量來分別存儲這 5 個字符:
```
c1 = "H"
c2 = "E"
c3 = "L"
c4 = "L"
c5 = "O"
```
那么就沒有表示出這 5 個字符的邏輯關系(即按特定次序組成的一個單詞)。盡管這種存儲 方式也實現了數據的存儲,但它很難支持方便、高效的數據處理。例如,為了輸出"HELLO", 程序必須分別找到 c1 到 c5 這幾個存儲位置,并取出其中字符組合成輸出,顯然非常麻煩。 而在“連續存儲的序列結構”方式下,程序只需找到一個存儲位置即可。
存儲數據的目的是為了將來處理數據,故存儲結構一定要適應將來的數據處理。對字符 串數據而言,將相關的一組字符存儲為一個連續序列就是合適的,因為這種序列結構非常適 合取字符、取子串、合并等字符串操作。因此,編程語言通常都以“連續存儲序列”的邏輯 結構來組織多個字符組成的數據,并將字符串作為基本類型提供給程序員使用。這樣,程序 員就不必再去費心考慮該用什么邏輯結構來組織多字符數據了。當然,字符串實在算不得復 雜數據,說它是簡單數據也無不可,但以上討論完全適用于真正復雜的數據。
總之,我們得到的教訓是:如果不將組成復雜數據的大量數據項按照合適的邏輯關系組 織起來,那么就無法對復雜數據進行方便、高效的處理。換句話說,合適的數據結構往往是設計有效算法的關鍵。初學編程者通常以為算法才是程序設計的關鍵,其實不然。計算機科 學家 N. Wirth①提出過一個公式:算法 + 數據結構 = 程序 這足以說明數據結構的重要性。
由于現實世界中構成復雜數據的邏輯關系多種多樣,編程語言不可能對每一種邏輯結構 都像對字符串那樣提供現成的數據類型和處理方法。另外,即使是同一個復雜數據,隨著處 理需求的不同,也會導致采用不同的邏輯結構。因此,編程語言一般不會提供現成的數據結 構給我們使用,我們需要根據待解決的實際問題,自行設計復雜數據的數據結構。
本章介紹用于表示和處理大量數據的集合體數據類型和幾種常用的數據結構。
- 前言
- 第 1 章 計算與計算思維
- 1.1 什么是計算?
- 1.1.1 計算機與計算
- 1.1.2 計算機語言
- 1.1.3 算法
- 1.1.4 實現
- 1.2 什么是計算思維?
- 1.2.1 計算思維的基本原則
- 1.2.2 計算思維的具體例子
- 1.2.3 日常生活中的計算思維
- 1.2.4 計算思維對其他學科的影響
- 1.3 初識 Python
- 1.3.1 Python 簡介
- 1.3.2 第一個程序
- 1.3.3 程序的執行方式
- 1.3.4 Python 語言的基本成分
- 1.4 程序排錯
- 1.5 練習
- 第 2 章 用數據表示現實世界
- 2.1 數據和數據類型
- 2.1.1 數據是對現實的抽象
- 2.1.1 常量與變量
- 2.1.2 數據類型
- 2.1.3 Python 的動態類型*
- 2.2 數值類型
- 2.2.1 整數類型 int
- 2.2.2 長整數類型 long
- 2.2.3 浮點數類型 float
- 2.2.4 數學庫模塊 math
- 2.2.5 復數類型 complex*
- 2.3 字符串類型 str
- 2.3.1 字符串類型的字面值形式
- 2.3.2 字符串類型的操作
- 2.3.3 字符的機內表示
- 2.3.4 字符串類型與其他類型的轉換
- 2.3.5 字符串庫 string
- 2.4 布爾類型 bool
- 2.4.1 關系運算
- 2.4.2 邏輯運算
- 2.4.3 布爾代數運算定律*
- 2.4.4 Python 中真假的表示與計算*
- 2.5 列表和元組類型
- 2.5.1 列表類型 list
- 2.5.2 元組類型 tuple
- 2.6 數據的輸入和輸出
- 2.6.1 數據的輸入
- 2.6.2 數據的輸出
- 2.6.3 格式化輸出
- 2.7 編程案例:查找問題
- 2.8 練習
- 第 3 章 數據處理的流程控制
- 3.1 順序控制結構
- 3.2 分支控制結構
- 3.2.1 單分支結構
- 3.2.2 兩路分支結構
- 3.2.3 多路分支結構
- 3.3 異常處理
- 3.3.1 傳統的錯誤檢測方法
- 3.3.2 傳統錯誤檢測方法的缺點
- 3.3.3 異常處理機制
- 3.4 循環控制結構
- 3.4.1 for 循環
- 3.4.2 while 循環
- 3.4.3 循環的非正常中斷
- 3.4.4 嵌套循環
- 3.5 結構化程序設計
- 3.5.1 程序開發過程
- 3.5.2 結構化程序設計的基本內容
- 3.6 編程案例:如何求 n 個數據的最大值?
- 3.6.1 幾種解題策略
- 3.6.2 經驗總結
- 3.7 Python 布爾表達式用作控制結構*
- 3.8 練習
- 第 4 章 模塊化編程
- 4.1 模塊化編程基本概念
- 4.1.1 模塊化設計概述
- 4.1.2 模塊化編程
- 4.1.3 編程語言對模塊化編程的支持
- 4.2 Python 語言中的函數
- 4.2.1 用函數減少重復代碼 首先看一個簡單的用字符畫一棵樹的程序:
- 4.2.2 用函數改善程序結構
- 4.2.3 用函數增強程序的通用性
- 4.2.4 小結:函數的定義與調用
- 4.2.5 變量的作用域
- 4.2.6 函數的返回值
- 4.3 自頂向下設計
- 4.3.1 頂層設計
- 4.3.2 第二層設計
- 4.3.3 第三層設計
- 4.3.4 第四層設計
- 4.3.5 自底向上實現與單元測試
- 4.3.6 開發過程小結
- 4.4 Python 模塊*
- 4.4.1 模塊的創建和使用
- 4.4.2 Python 程序架構
- 4.4.3 標準庫模塊
- 4.4.4 模塊的有條件執行
- 4.5 練習
- 第 5 章 圖形編程
- 5.1 概述
- 5.1.1 計算可視化
- 5.1.2 圖形是復雜數據
- 5.1.3 用對象表示復雜數據
- 5.2 Tkinter 圖形編程
- 5.2.1 導入模塊及創建根窗口
- 5.2.2 創建畫布
- 5.2.3 在畫布上繪圖
- 5.2.4 圖形的事件處理
- 5.3 編程案例
- 5.3.1 統計圖表
- 5.3.2 計算機動畫
- 5.4 軟件的層次化設計:一個案例
- 5.4.1 層次化體系結構
- 5.4.2 案例:圖形庫 graphics
- 5.4.3 graphics 與面向對象
- 5.5 練習
- 第 6 章 大量數據的表示和處理
- 6.1 概述
- 6.2 有序的數據集合體
- 6.2.1 字符串
- 6.2.2 列表
- 6.2.3 元組
- 6.3 無序的數據集合體
- 6.3.1 集合
- 6.3.2 字典
- 6.4 文件
- 6.4.1 文件的基本概念
- 6.4.2 文件操作
- 6.4.3 編程案例:文本文件分析
- 6.4.4 緩沖
- 6.4.5 二進制文件與隨機存取*
- 6.5 幾種高級數據結構*
- 6.5.1 鏈表
- 6.5.2 堆棧
- 6.5.3 隊列
- 6.6 練習
- 第 7 章 面向對象思想與編程
- 7.1 數據與操作:兩種觀點
- 7.1.1 面向過程觀點
- 7.1.2 面向對象觀點
- 7.1.3 類是類型概念的發展
- 7.2 面向對象編程
- 7.2.1 類的定義
- 7.2.2 對象的創建
- 7.2.3 對象方法的調用
- 7.2.4 編程實例:模擬炮彈飛行
- 7.2.5 類與模塊化
- 7.2.6 對象的集合體
- 7.3 超類與子類*
- 7.3.1 繼承
- 7.3.2 覆寫
- 7.3.3 多態性
- 7.4 面向對象設計*
- 7.5 練習
- 第 8 章 圖形用戶界面
- 8.1 圖形用戶界面概述
- 8.1.1 程序的用戶界面
- 8.1.2 圖形界面的組成
- 8.1.3 事件驅動
- 8.2 GUI 編程
- 8.2.1 UI 編程概述
- 8.2.2 初識 Tkinter
- 8.2.3 常見 GUI 構件的用法
- 8.2.4 布局
- 8.2.5 對話框*
- 8.3 Tkinter 事件驅動編程
- 8.3.1 事件和事件對象
- 8.3.2 事件處理
- 8.4 模型-視圖設計方法
- 8.4.1 將 GUI 應用程序封裝成對象
- 8.4.2 模型與視圖
- 8.4.3 編程案例:匯率換算器
- 8.5 練習
- 第 9 章 模擬與并發
- 9.1 模擬
- 9.1.1 計算機建模
- 9.1.2 隨機問題的建模與模擬
- 9.1.3 編程案例:乒乓球比賽模擬
- 9.2 原型法
- 9.3 并行計算*
- 9.3.1 串行、并發與并行
- 9.3.2 進程與線程
- 9.3.3 多線程編程的應用
- 9.3.4 Python 多線程編程
- 9.3.5 小結
- 9.4 練習
- 第 10 章 算法設計和分析
- 10.1 枚舉法
- 10.2 遞歸
- 10.3 分治法
- 10.4 貪心法
- 10.5 算法分析
- 10.5.1 算法復雜度
- 10.5.2 算法分析實例
- 10.6 不可計算的問題
- 10.7 練習
- 第 11 章 計算+X
- 11.1 計算數學
- 11.2 生物信息學
- 11.3 計算物理學
- 11.4 計算化學
- 11.5 計算經濟學
- 11.6 練習
- 附錄
- 1 Python 異常處理參考
- 2 Tkinter 畫布方法
- 3 Tkinter 編程參考
- 3.1 構件屬性值的設置
- 3.2 構件的標準屬性
- 3.3 各種構件的屬性
- 3.4 對話框
- 3.5 事件
- 參考文獻