計算機算法設(shè)計及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性研究

李卓

摘??要：計算機算法設(shè)計是計算機行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，而且在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。關(guān)于計算機算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性，是實現(xiàn)計算機算法有效應(yīng)用的必要前提。以此為對象展開分析。首先分別對計算機算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性做出分析，認(rèn)識到實現(xiàn)的基本原理與作用，為今后計算機算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性在實踐中應(yīng)用提供參考。其次從離散數(shù)學(xué)和數(shù)字電子、二進制及其離散性兩個方面，闡述實現(xiàn)方法。最后則分析計算機算法在云計算、人臉識別軟件、密碼破譯中的應(yīng)用，闡述不同算法的應(yīng)用原理，發(fā)揮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性優(yōu)勢。旨在為今后計算機問題的解決、數(shù)據(jù)高效處理提供計算機算法支持。

關(guān)鍵詞：計算機算法??數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)??離散性??連續(xù)性??二進制

中圖分類號：TP391

Research?on?the?Algorithm?Design?and?Data?Structure?Discreteness?of?Computers

LI?Zhuo

（Heilongjiang?University?of?Business?and?Technology，?Harbin，?Heilongjiang?Province，?150001?China）

Abstract：?Computer?algorithm?design?is?the?foundation?of?the?development?of?the?computer?industry?and?has?been?applied?in?many?fields.?The?design?of?computer?algorithms?and?the?discreteness?of?its?data?structures?are?necessary?prerequisites?for?the?effective?application?of?computer?algorithms，?and?this?paper?analyzes?them?as?reasearch?objects.?Firstly，?it?analyzes?computer?algorithms?and?the?discreteness?of?its?data?structures?separately，??and?recognizes?the?basic?principles?and?functions?of?implementation，?which?provides?references?for?the?practical?application?of?computer?algorithms?and?data?structure?discreteness?in?the?future.?Secondly，?it?expounds?implementation?methods?from?two?aspects：?discrete?mathematics?and?digital?electronics，?as?well?as?binary?and?its?discreteness.?Finally，?it?analyzes?the?applications?of?computer?algorithms?in?cloud?computing，?facial?recognition?software?and?password?cracking，?explains?the?application?principles?of?different?algorithms，?and?gives?full?play?to?the?advantages?of?data?structure?discreteness，?aiming?to?provide?computer?algorithm?support?for?solving?computer?problems?and?efficiently?processing?data?in?the?future.

Key?Words：?Computer?algorithm;?Data?structure;?Discreteness;?Continuity;?Binary

計算機技術(shù)是社會發(fā)展以及行業(yè)升級的重要支持，但這主要是與前期的程序設(shè)計有關(guān)。算法是計算機得以運行的必要基礎(chǔ)，計算機穩(wěn)定運行需要算法的支撐。通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的離散性，可以解決不同類型的計算機問題，但缺陷是不能精準(zhǔn)識別連續(xù)數(shù)量關(guān)系。程序設(shè)計人員在采集到信息后，轉(zhuǎn)換為離散性，切實存在的計算機處理問題能夠更加高效地解決，彰顯計算機算法設(shè)計的應(yīng)用優(yōu)勢。為此，本文以計算機算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性為對象展開分析，總結(jié)算法設(shè)計和離散性的優(yōu)化對策。

1??計算機算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性

1.1??基本概述

1.1.1??計算機算法

計算機相關(guān)問題的處理，計算機算法是協(xié)調(diào)處理的指令，并且對實際存在問題制定解決方法更加完整的描述[1]。工作人員輸入指令后，快速獲得目標(biāo)輸出。關(guān)于計算機算法的認(rèn)知，各個領(lǐng)域往往有不同的角度。例如：流程程序方面，往往對計算機算法的要求不高；人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等方面，計算機算法則面臨嚴(yán)格要求。存在這一區(qū)別的原因，主要是算法在人工智能、數(shù)據(jù)挖掘的程序操作中，占據(jù)核心位置。

1.1.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由海量具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的數(shù)據(jù)組成，具體需要總結(jié)各項數(shù)據(jù)的元素特性。關(guān)于上述提出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，共有4種：線性結(jié)構(gòu)、集合結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、圖形結(jié)構(gòu)。綜合對比這4種結(jié)構(gòu)類型，發(fā)現(xiàn)前兩種類型的離散性特征更強，后兩種的獨立性則表現(xiàn)在其中儲存的數(shù)據(jù)元素上[2]?？紤]到這一點，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性在計算機學(xué)科領(lǐng)域的表現(xiàn)往往更加清晰。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的作用下可以分析關(guān)系所包含的所有數(shù)據(jù)結(jié)合，其間還需發(fā)揮離散數(shù)學(xué)理論的作用，以抽象性思維看待數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.2計算機算法設(shè)計方法

遞推法在計算機算法設(shè)計中應(yīng)用，主要是為了適應(yīng)計算機在運行中所呈現(xiàn)出的高效率特性。以指定規(guī)律計算序列的任意項值為對象，計算之后序列的一些指定項值。在上述計算過程中應(yīng)用遞歸法，以程序調(diào)用編程，達(dá)到弱化問題復(fù)雜性的目的?？偠灾瑧?yīng)用遞歸法的關(guān)鍵在于層層轉(zhuǎn)化處理，或者是選擇和原復(fù)雜問題相似度高的小規(guī)模問題。

1.3?離散性分析

計算機算法設(shè)計中如果應(yīng)用遞推法，針對計算機本身，會主動且持續(xù)地應(yīng)用最大數(shù)，與數(shù)組包含的下一個數(shù)字進行對比，此流程會持續(xù)到結(jié)束。相比之下，人類對此問題的思考則會優(yōu)先以連續(xù)性思維模式為對象，排列數(shù)字大小。有鑒于此，便可確定計算機的離散性特征[3]。如果采用遞歸法，同樣可以簡化算法中一些不必要的計算流程。在此前提下所體現(xiàn)的離散性重點是程序運行。例如：計算機程序是以“?！睂崿F(xiàn)高效率運行，而且也表現(xiàn)出“后進先出”這一明顯特征。算法作為遞歸運行的必要條件，若在遞歸運行中需要用到返回值，算法將會將“自己”返回，直至到達(dá)了確定值位置再層層返回。根據(jù)以上分析對比可以確定計算機遞歸計算和內(nèi)存Push兩個流程并非先后順序進行，甚至在所有計算流程結(jié)束之后Pop出仍然在繼續(xù)，這便是計算離散性的直觀體現(xiàn)。

2?計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性的實現(xiàn)

計算機具有運算、儲存這兩項基本功能，而此功能的實現(xiàn)基本方法是二進制。所以，計算機運行很大程度上與邏輯數(shù)學(xué)有關(guān)。針對邏輯運算進行分析，離散性非常明顯。通過現(xiàn)有研究和分析，發(fā)現(xiàn)離散性、二進制之間有密切的聯(lián)系[4]。所以，按照二進制呈現(xiàn)離散性特征，可以作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性分析的依據(jù)。下面以此為前提，從離散數(shù)學(xué)和數(shù)字電子、二進制及其離散性兩個方面，對計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性的實現(xiàn)做出分析。

2.1?離散數(shù)學(xué)和數(shù)字電子

一般通過整數(shù)分析離散對象，在此前提下“離散數(shù)學(xué)”可作為處理可數(shù)集合的數(shù)學(xué)分支，這里提到的可數(shù)集合，和整數(shù)子集基數(shù)一致，其中涵蓋有理數(shù)集，卻不包含實數(shù)集。盡管現(xiàn)階段“離散數(shù)學(xué)”受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，與之相關(guān)的研究也比較多，但是現(xiàn)有定義并未獲得普遍的認(rèn)可[5]。關(guān)于定義的界定，普遍傾向于“無連續(xù)變化量、概念的數(shù)學(xué)”。所以，作為數(shù)學(xué)分支總稱，通常離散數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩者之間不是以獨立的形式存在。特別是離散數(shù)學(xué)，實際存在的問題，應(yīng)該以復(fù)雜性關(guān)系為核心展開拓展分析，降低計算機實操過程中問題的發(fā)生率。

如果從學(xué)科角度分析數(shù)字電子，其與計算機學(xué)科之間存在一定程度的交叉。在離散性研究過程中，數(shù)字電子一般也只是以基本概念的形式，由學(xué)科進行引入分析，也就是所謂的數(shù)字信號。對其內(nèi)涵進行界定，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號、模擬信號兩者的概念具有相對性，數(shù)據(jù)信號的數(shù)值、時間具有連續(xù)性，而模擬信號則具有離散性。參考這一點，便能夠發(fā)現(xiàn)兩者之間存在比較顯著的區(qū)別。若是立足于數(shù)學(xué)維度，模擬信號所具有的連續(xù)性，代表微積分有相關(guān)意義，而離散信號則無任何意義。

2.2?二進制及其離散性

所謂二進制，即逢二進位的進位方法，實現(xiàn)二進制的關(guān)鍵在于“0”“1”?？紤]到符號相對簡單，運算量少，所以在實踐中更多是應(yīng)用計算機進行實現(xiàn)。此次研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性，提出了二進制離散性這一觀點。若想真正理解，可以延伸到計算機和人工之間的差異。計算機支持識別的對象中，僅包括二進制的“0”?“1”，但如果是站在人類的角度，無論是音頻、圖片還是文字，均可以從中獲取到有效信息，反而對于計算機而言，信息此類信息面臨困難，而且識別效率相比二進制也非常低。那么若想高效且準(zhǔn)確地識別信息，離散處理非常必要。通過有效的離散處理，可以充分發(fā)揮出數(shù)據(jù)識別這一優(yōu)勢。一般在離散處理中，工作人員將所有數(shù)據(jù)信息離散化，為后面的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存等做好準(zhǔn)備。計算機利用圖片、文字等信息識別，獲得的離散性便是二進制數(shù)據(jù)的直觀呈現(xiàn)，對其進行離散化處理，其間同樣需要應(yīng)用二進制方法，完整地呈現(xiàn)音頻與圖片中包含的信息，以此來提升計算機在信息識別方面的效率。此類信息在轉(zhuǎn)換為二進制后，同樣應(yīng)進行離散處理。通過分析可知，以音頻為例，在經(jīng)過了離散處理后，信息的清晰度、音頻還原度均有明顯改善。

3??計算機算法在實踐中的運用

3.1?應(yīng)用于云計算

計算機與信息技術(shù)在信息化社會的發(fā)展下，不斷創(chuàng)新與演進，其間推出了一系列新技術(shù)，其中便包括云計算。云計算技術(shù)作為新一代信息技術(shù)，其優(yōu)勢的體現(xiàn)，需要與計算機相輔相成，在各個行業(yè)中的應(yīng)用，也是以自動化模式存在。因為云計算技術(shù)具有很強的自動化水平，尤其是將其運用于數(shù)據(jù)處理方面，更是表現(xiàn)出很強的能力，所以云計算本身對算法也提出了很高的要求。除了以上性能外，云計算技術(shù)在應(yīng)用中也表現(xiàn)出便捷性，憑借云計算的這一優(yōu)勢，賦能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍予以拓展。

以計算機算法為基礎(chǔ)的云計算，應(yīng)用出發(fā)點為服務(wù)，立足點為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，從中任意選擇操作模式。綜合上述總結(jié)的云計算諸多優(yōu)勢，其實更多是在實踐應(yīng)用中加以體現(xiàn)，一方面不需要投入大量成本，另一方面對于實際產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，也可以實現(xiàn)高效率分析與處理，站在技術(shù)使用者的角度，可以直觀體現(xiàn)出數(shù)據(jù)處理的有的放矢，為計算機算法基礎(chǔ)上的云計算應(yīng)用賦予了很強的靈活性，可以滿足多類用戶在數(shù)據(jù)處理方面的需求。

3.2?應(yīng)用于人臉識別軟件

人們的生活深受現(xiàn)代技術(shù)的影響，尤其是智能手機的普及，更是直接改變了人們的生活習(xí)慣?？紤]到日常生活中，云計算與人們的直接聯(lián)系并不多，相比之下可能更加傾向于使用智能手機拍照，而且也會頻繁地用到各種各樣的修圖軟件。所以，在現(xiàn)代化技術(shù)支持下，智能手機的相機功能非常多元化，不僅攝影、照相非常清晰，而且自帶美顏功能，準(zhǔn)確識別人臉與五官。分析人臉識別軟件上述功能得以實現(xiàn)的原因，即計算機算法設(shè)計。

其實針對智能手機中的美顏功能，除了精準(zhǔn)識別人臉、五官外，還應(yīng)按照識別所得內(nèi)容，在軟件中自動優(yōu)化與修復(fù)，對于最終修復(fù)成果，也不能與真人有明顯區(qū)別。對此，軟件設(shè)計階段，為了實現(xiàn)上述功能，計算機算法的設(shè)計相對復(fù)雜，同時包括識別、瘦臉、美白等其他功能。例如美白這一功能，其實在圖像處理中，主要參考的是三原色原理。對于待美顏照片而言，在軟件中也是應(yīng)用三原色，將圖片中的R（Red）、G（Green）、B（blue）顏色信息予以保存。上述3個數(shù)值取值范圍在0～255之間，如果數(shù)值接近0，代表圖像黑度高；數(shù)值接近255，則圖像越白[6]。所以，美顏軟件中具有的美白功能，即以此原理將人像臉部色彩改變。再如人臉檢測和關(guān)鍵點定位功能，應(yīng)用的計算機算法主要有深度學(xué)習(xí)模型，具體有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）。首先對于需要修圖的圖像，需要生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GANs），此環(huán)節(jié)訓(xùn)練生成器以及判別器網(wǎng)絡(luò)，其中判別器的作用是對生成圖像質(zhì)量進行評估。其次則要做好風(fēng)格遷移，圖像風(fēng)格向其他圖像轉(zhuǎn)移。此功能在圖像美顏中，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像整體色調(diào)、風(fēng)格的變化，呈現(xiàn)出差異化的修圖效果。

3.3?應(yīng)用于密碼破譯

計算機算法除了人臉識別軟件、云計算技術(shù)外，還應(yīng)用于密碼破譯。密碼破譯的前期是信息加密，此項工作的實現(xiàn)離不開計算機，但因傳統(tǒng)技術(shù)相對滯后，非法人員很容易將正在傳輸過程的信息破譯。在密碼破譯中應(yīng)用計算機算法，關(guān)鍵便是前期算法設(shè)計。這里提到的計算機算法，屬于計算機基礎(chǔ)技術(shù)。

例如：單向HASH算法，因為此算法用于密碼保護很難保證安全性，所以很多企業(yè)在應(yīng)用單向HASH算法時，對其進行了加鹽與反復(fù)HASH處理，上述拓展方法進一步增強了密碼破譯難度。已經(jīng)加“固定鹽”處理的HASH算法，安全防護重點是避免“鹽”的泄露，如果發(fā)現(xiàn)保護對稱密鑰一類的問題，當(dāng)“鹽”泄露后，可按照“鹽”重構(gòu)彩虹表實現(xiàn)破解，針對反復(fù)HASH的作用，僅是延長破解時間，在密碼破譯方面沒有本質(zhì)方面的作用。

4??結(jié)語

綜上所述，計算機本身在各個行業(yè)中應(yīng)用的基礎(chǔ)是計算機算法，通過差異化計算機算法設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)諸多信息化、自動化功能，其中便包括云計算、人臉識別、美顏以及密碼破譯等。計算機算法設(shè)計的過程中，相關(guān)人員不能忽略數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所具有的離散性特點，這對于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、產(chǎn)生數(shù)據(jù)的處理等具有重要作用。一方面可以提高數(shù)據(jù)處理效率，另一方面也可以憑借數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)離散性優(yōu)勢，夯實計算機算法設(shè)計的基礎(chǔ)，從而進一步拓寬計算機算法的應(yīng)用范疇。

參考文獻

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