数据结构、数据类型、数字编码、字符编码:保姆级图文详解
文章目录
- 前言
- 1、数据结构分类
- 1.1、逻辑结构:线性与非线性
- 1.2、物理结构:连续与分散
- 1.3、数据结构的实现方式
- 1.4、数据结构的选择依据
- 2、基本数据类型
- 2.1、定义与分类
- 2.2、存储形式
- 3、数字编码
- 3.1、原码、反码与补码
- 3.2、浮点数编码
- 3.3、整数与浮点数区别
- 4、字符编码
- 4.1、ASCII 字符集
- 4.2、GBK 字符集
- 4.3、Unicode 字符集
- 4.4、UTF-8 编码
前言
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1、数据结构分类
从两个维度划分:
①逻辑结构:关注数据元素之间的逻辑关系。
②物理结构:关注数据在计算机内存中的存储方式。
1.1、逻辑结构:线性与非线性
①定义:逻辑结构揭示数据元素之间的逻辑关系。数据线性排列或呈现更复杂的层次或网络关系。
②分类:
i:线性结构:
数据呈一对一的顺序关系。常见结构:数组、链表、栈、队列、哈希表。
ii:非线性结构:
数据呈一对多或多对多的关系。分为以下两类:
i:树形结构:如树、堆、哈希表。
ii:网状结构:如图。

③特点:
i:线性数据结构:简单直观,逻辑关系呈线性排列。
ii:非线性数据结构:适合表示复杂层次和网络关系,逻辑关系更复杂。
1.2、物理结构:连续与分散
①定义:物理结构描述数据在计算机内存中的存储方式。内存由单元格(内存空间)组成,每个单元格通过内存地址访问。

②分类
i:连续空间存储:数据存储在连续的内存块中。常见结构:数组。
ii:分散空间存储:数据存储在非连续的内存块中,通过指针连接。常见结构:链表。

③特点:
i:连续存储:访问效率高,但需要大块连续内存。适用于静态数据结构。
ii:分散存储:内存利用率高,支持动态调整。适用于动态数据结构。
1.3、数据结构的实现方式
①基于数组的实现:
i:可实现:栈、队列、哈希表、树、堆、图、矩阵、张量等。
ii:特点:初始化后长度固定,但可通过重新分配内存实现一定的动态性。
②基于链表的实现:
i:可实现:栈、队列、哈希表、树、堆、图等。
ii:特点:支持动态长度调整,适合在运行时需要频繁修改长度的场景。
③动态与静态数据结构
i:链表:动态数据结构,长度可在运行时调整。
ii:数组:静态数据结构,长度在初始化时固定,但通过内存重分配可具备动态性。
1.4、数据结构的选择依据
①性能与内存效率的权衡
i:连续存储(如数组):适合需要快速访问的数据结构,但对内存连续性要求高。
ii:分散存储(如链表):适合需要频繁插入和删除操作的数据结构,内存利用率更高。
②实际应用中的组合
数据结构往往基于数组和链表的组合实现。如哈希表可能结合数组(存储槽位)和链表(处理冲突)。
2、基本数据类型
2.1、定义与分类
基本数据类型是 CPU 直接运算的数据类型,用于表示数据基本形式。包括整数、浮点数、字符和布尔类型。
①主要类型:
i:整数类型:byte、short、int、long,用于表示整数。
ii:浮点数类型:float、double,用于表示小数。
iii:字符类型:char,用于表示字母、标点符号及其他字符。
iv:布尔类型:bool,用于表示“是/否”判断。
2.2、存储形式
所有基本数据类型以二进制形式存储,一个二进制位(bit)是计算的最小单位。一个字节(byte)由 8 个比特(bit)组成(绝大多数现代操作系统遵循此规则)。基本数据类型的取值范围取决于其占用的空间大小,例如:

3、数字编码
3.1、原码、反码与补码
①定义:
i:原码:二进制表示中,最高位为符号位(0表示正数,1表示负数),其余位表示数值。
ii:反码:正数的反码与原码相同,负数的反码为原码符号位不变,其余位按位取反。
iii:补码:正数的补码与原码相同,负数的补码为其反码加1。

②补码特点:
解决原码和反码中“正零”和“负零”带来的歧义问题。通过将负数的运算转化为加法运算,简化硬件设计。
支持负数范围比正数多一个。
③计算机使用补码原因:
统一正负数的加减法运算,不需要单独设计减法电路。消除正负零的歧义,简化条件判断。硬件电路设计更简单,高效支持并行化运算。
3.2、浮点数编码
①表示方式:
根据 IEEE 754 标准,32 位浮点数 float 由以下三部分组成:
i:符号位(1 位):表示正数或负数。
ii:指数位(8 位):表示数值的指数部分。
iii:分数位(23 位):表示有效数字部分。
计算公式:

3.3、整数与浮点数区别
①存储空间:
int 和 float 都占用 4 字节,但表示范围和精度不同。int 使用所有比特表示均匀分布的整数。float 使用部分比特表示指数位,扩展范围但降低精度。
②适用场景:
整数类型适用于精确计算,如计数或索引操作。浮点数类型适用于需要表示小数或范围极大的数值。
4、字符编码
**①定义:**字符编码通过“字符集”将字符与二进制数一一对应,实现二进制数到字符的转换。
②需求背景:不同语言和符号的表示需要统一规则,字符编码规范解决这一问题。
4.1、ASCII 字符集
①特点:ASCII 是最早的字符集,使用7位二进制表示,共支持128个字符。包含英文大小写字母、数字、标点符号及控制字符。
②扩展:EASCII:扩展到8位,可表示256个字符。不同地区的 EASCII 字符集后128个字符定义不同,以适应本地语言需求。

4.2、GBK 字符集
①背景:GB2312(1980 年发布)解决汉字表示问题,支持 6763 个汉字,但无法覆盖罕见字和繁体字。
②扩展:GBK 在 GB2312 基础上扩展,支持 21886 个汉字。
③编码方式:ASCII 字符使用 1 字节。汉字使用 2 字节。
4.3、Unicode 字符集
①特点:统一字符集,支持全球语言和符号,理论上可容纳 100 多万个字符。通过统一的“码点”为每个字符分配编号。
②意义:解决多语言环境乱码问题。消除不同字符集之间的兼容性障碍。
③问题:Unicode 只是定义字符码点,没有规定如何存储字符,导致在实际实现中需要额外编码方案。

4.4、UTF-8 编码
①定义:UTF-8 是 Unicode 的一种编码方式,使用 1 至 4 字节表示一个字符。根据字符复杂性调整字节数,具备高效性和兼容性。
②规则:1 字节:ASCII 字符(最高位为 0)。多字节:起始字节高位以 1 标识字节长度,其余位用于编码字符码点。后续字节以 10 开头用于填充字符码点。
③优点:向下兼容 ASCII,适合处理历史遗留文本。多字节的起始位和校验位设计便于错误检测。
④其他编码方式:
UTF-16:2 或 4 字节表示字符,常用非英文字符占 2 字节。
UTF-32:固定使用 4 字节,适配性差,占用空间大。

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