關(guān)于計算機(jī)科學(xué)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法探究

摘 要：在計算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對計算機(jī)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行整理和集合，其運(yùn)行過程與算法有著必然的聯(lián)系。本文簡述了計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的表述方式及其特征，介紹了幾種常見的計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，并闡述了算法的設(shè)計原則以及對算法的復(fù)雜度進(jìn)行探究，希望能夠為相關(guān)計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法方面的研究提供一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；算法；計算機(jī)；復(fù)雜度

中圖分類號：TP311.12-4

計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法是計算機(jī)科學(xué)中必不可少的基礎(chǔ)知識之一，是實現(xiàn)計算機(jī)科學(xué)計算以及計算機(jī)模擬實驗的重要工具，對于計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。因此，針對計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法進(jìn)行深入的研究，有助于計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完善，能夠為計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供理論和實際應(yīng)用價值。

1 計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法簡述

1.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法表述及其特征

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法是指對于計算機(jī)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的計算和操作的處理，以及對計算機(jī)信息的處理方式進(jìn)行描述和操作的過程。通常使用邏輯符號、數(shù)學(xué)計算、數(shù)據(jù)信息的傳遞以及數(shù)據(jù)信息的比對四個主要的數(shù)據(jù)信息的計算和操作處理方式，在對于數(shù)據(jù)信息的指令進(jìn)行描述中一般會使用算法流程圖進(jìn)行處理。

目前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的表述主要是通過具有不同意義的符號和文字進(jìn)行算法的編譯，常用的有以下幾種形式：常規(guī)性文字和符號、C語言程序、PAD流程圖以N-S流程圖等。其中前兩種方式主要是對于算法進(jìn)行具體的直接性的表達(dá)的，其它幾種形式主要是對于算法以圖形的形式進(jìn)行直觀性的描述，設(shè)計者通過流程圖直接進(jìn)行算法的編譯工作，能夠十分清晰的進(jìn)行算法的理解以及學(xué)習(xí)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法主要的特征是其算法的指令是有限的，能夠?qū)τ谟嬎銠C(jī)數(shù)據(jù)信息的問題進(jìn)行明確的處理，算法是根據(jù)已經(jīng)編譯完成的指令嚴(yán)格按照順序進(jìn)行計算的，然后計算得出所需結(jié)果，因此，這就要求指令的條數(shù)必須是有明確的數(shù)量，并且指令所表達(dá)的意思必須要明確，不能夠出現(xiàn)一條指令表達(dá)多個意思的情況。其次，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法包含的所有指令必須要符合計算機(jī)的計算能力，不能夠出現(xiàn)指令的數(shù)量過多導(dǎo)致后面的指令無法完成計算的情況，必須確保算法指令的完整性以及合理性。

1.2 幾種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法

計算機(jī)通過算法將我們認(rèn)知不清晰、無棱角的抽象行為，展現(xiàn)出有圖有數(shù)據(jù)的可視的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但這些數(shù)據(jù)如何得出、計算機(jī)怎么計算的、計算的思路是什么，就是我們要詳細(xì)闡述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法。我們經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法有遞推和遞歸法迭代法、以及枚舉法。

第一，遞推和遞歸法是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法最常用的算法，經(jīng)過逐級推導(dǎo)輸出最終結(jié)果。在結(jié)果輸出的過程中，利用數(shù)學(xué)中的推導(dǎo)公式，將問題細(xì)分，通過枝節(jié)推導(dǎo)出數(shù)列的公共特征項，也就是我們所說的通項。由簡單到復(fù)雜是遞推法最顯著的特征，數(shù)列的得出是遞推法的突破點(diǎn)。將可能的數(shù)據(jù)帶入數(shù)列中，驗算其正確性，是遞推法的總體思路。工程中，我們經(jīng)常直接或者間接的應(yīng)用到遞推法求解問題，將復(fù)雜的問題簡單化是我們解決問的出發(fā)點(diǎn)。

第二，迭代法主要應(yīng)用于問題繁瑣、枝節(jié)非常多的情形。此法主要采用了移花接木的思想，將繁瑣的情況等價成相對不復(fù)雜的算法來求解。因此，迭代法的精度等級較遞推和遞歸法低，但該算法計算時間短，在解決精度要求不高、理論類的復(fù)雜問題上非常奏效。

第三，枚舉法常用于解決“是否可行”、“多個問題結(jié)合”和“正確或錯誤”的情形。算法思路大致為：首先分析須解決問題的結(jié)構(gòu)，劃分該問題的屬性所屬范疇；通過問題所屬范疇確定采用“逐一列舉”、“順序列舉”還是“按類型列舉”；確定列舉類型后，檢驗數(shù)據(jù)的可行性；最后，計算出正確答案。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于便于工作人員理解，不會造成求解誤區(qū)。然而，算法的缺點(diǎn)也是不容小覷的，在于運(yùn)行時間過長，往往需要幾個小時，或者幾十個小時?；谄鋬?yōu)缺點(diǎn)，我們在選用枚舉法時，都是一經(jīng)采用了其余的兩種方法后仍然沒有可接受的結(jié)果的情形下。盡管如此，通過此法運(yùn)算也仍然可能的不到最終滿意的結(jié)果，這也說明它的精度不高的性質(zhì)。

2 計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法設(shè)計原則

計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法必須要滿足一定的原則才能夠保證計算機(jī)正常的運(yùn)行處理工作，通常情況下，在進(jìn)行算法的設(shè)計過程中，要考慮一下幾個方面的設(shè)計原則進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的設(shè)計工作。

2.1 算法必須保證正確性

算法是編程的核心，算法正確，程序才能精確運(yùn)行。因此，我們在編寫程序時必須根據(jù)實際需要，選擇科學(xué)、合理的算法。算法不能產(chǎn)生模棱兩可的結(jié)果，必須帶有唯一的特性。

2.2 算法必須滿足可讀性

在選擇了適合的算法后，接下來的任務(wù)就是滿足程序中的算法要可讀。一個好的算法，不僅能夠保證其正確性，還要有易于理解的運(yùn)算。這樣可以給應(yīng)用者帶來方便。使用者在應(yīng)用此算法時才不能走入誤區(qū)，才能更快、更好的進(jìn)行程序運(yùn)算，得到預(yù)期預(yù)想的結(jié)果。

2.3 算法必須具有穩(wěn)定性

在程序運(yùn)行過程中，輸出的曲線質(zhì)量好壞完全取決于算法的性能，尤其是程序的波動性取決于算法是否穩(wěn)定。在以往的工程實踐中，遇到過計算機(jī)輸出曲線波動反常，沒有固定的規(guī)律，與實際情況及其不吻合。通過查閱資料、對比分析，得出可能是算法的問題，改進(jìn)算法后，穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，曲線也能有理想的效果。所以說，基于計算機(jī)的不穩(wěn)定性分析，要想得到合理、有效的結(jié)果，算法必須具有穩(wěn)定性。

2.4 算法要保證具有高效低耗性能

現(xiàn)代社會提倡的主題是節(jié)能環(huán)保，這也要應(yīng)用于計算機(jī)上。每一個程序運(yùn)行，既要節(jié)省能量又要縮減時間。現(xiàn)階段，高效低耗已經(jīng)提上日程，開發(fā)者逐漸向著這方面努力。算法性能是計算機(jī)節(jié)能、高效能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。運(yùn)行速度快、噪聲小、能耗低是計算機(jī)數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)追尋的永久主題。

3 計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法復(fù)雜度探究

運(yùn)行時間的長短主要取決于算法的簡單與復(fù)雜程度。在現(xiàn)實問題中，我們所遇到的都是相對簡單的問題，所以算法也很簡單，運(yùn)行時間就不很很長。然而，解決工程問題就會花費(fèi)非常長的時間，源于工程中的問題都會相對復(fù)雜一些。下面針對花費(fèi)時間與計算機(jī)內(nèi)存兩個因素來探討算法的復(fù)雜程度。

運(yùn)行時間與計算機(jī)內(nèi)存是影響算法運(yùn)行快慢的兩個因素。一般來講，計算機(jī)可供程序使用的內(nèi)存空間越大，程序運(yùn)行速度越快。雖然環(huán)境因素也會或多或少的影響運(yùn)行速度，但只是次要方面。衡量算法快慢、時間長短的工作者一般都要采用客觀的手法去衡量，不會活多的想到外部因素，所以選擇一臺好的計算機(jī)非常重要。好的計算機(jī)在大量信息導(dǎo)入時，內(nèi)存消耗只占計算機(jī)總體內(nèi)存的小部分，這樣更有利于算法的運(yùn)行。在解決問題時，在得到相同結(jié)果的基礎(chǔ)上，盡量選擇相對簡單的算法，這一點(diǎn)也是非常重要的。以占用內(nèi)存空間小、運(yùn)行時間短為出發(fā)點(diǎn)，選擇算法。

4 結(jié)束語

綜上所述，計算計算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法是進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識，有助于更加深入的理解計算機(jī)的運(yùn)行狀況，因此在今后的學(xué)習(xí)工作中，應(yīng)該積極的學(xué)習(xí)研究創(chuàng)新的計算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，并對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法進(jìn)行優(yōu)化，降低數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的復(fù)雜度，對于計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度以及精確程度有著十分重要的意義和實際應(yīng)用價值。

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作者簡介：向裕良（1984-），男，助教，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；彭佳紅（1962-），女，教授，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘與智能決策、智能農(nóng)業(yè)信息處理。

作者單位：湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代設(shè)計藝術(shù)系，長沙 410208；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，長沙 410208