【C#進階】高階資料結構和演算法_2024-06-22

StarYou發表於2024-06-22
C#資料結構演算法

當我們深入到程式設計的世界，我們會發現，掌握高階資料結構和演算法就像是擁有了一套高階工具箱，它們能幫助我們更高效、更優雅地解決問題。今天，我們就來一探究竟，看看這些高階工具是如何工作的。

首先，讓我們來談談高階資料結構。

資料結構就像是我們用來存放東西的容器，高階資料結構就是一些更復雜的容器。

它們就像是我們程式設計中的“儲存神器”，能讓我們以不同的方式組織和訪問資料。比如：

  • 棧，它就像是一個只能從頂部放入和取出物品的容器，遵循“後進先出”的原則。
  • 佇列，它則像是一個有序的隊伍，遵循“先進先出”的規則。
  • 連結串列，它則提供了一種靈活的方式來儲存資料，每個資料點都指向下一個資料點，形成一個鏈條。

1. 棧、佇列、連結串列

棧（Stack）

想象一下你疊盤子。每次新放一個盤子都在最上面，拿走的時候也只能從最上面開始拿。這就是棧，後進先出（LIFO, Last In First Out）的資料結構。

// C#中使用Stack<T>類實現棧
using System.Collections.Generic;

public class StackExample
{
    public static void Main()
    {
        Stack<int> myStack = new Stack<int>();
        
        // 入棧：像疊盤子一樣新增元素
        myStack.Push(1);
        myStack.Push(2);
        myStack.Push(3);
        
        Console.WriteLine("Top element: " + myStack.Peek()); // 檢視但不移除頂部元素
        
        // 出棧：移除並返回頂部元素
        while (myStack.Count > 0)
        {
            Console.WriteLine("Popped: " + myStack.Pop());
        }
    }
}

佇列（Queue）

想象排隊買票，先來的先買，後來的後買。佇列就是這樣的，先進先出（FIFO, First In First Out）。

// 使用Queue<T>類實現佇列
using System.Collections.Generic;

public class QueueExample
{
    public static void Main()
    {
        Queue<string> myQueue = new Queue<string>();
        
        // 入隊：像排隊一樣加入元素
        myQueue.Enqueue("Alice");
        myQueue.Enqueue("Bob");
        myQueue.Enqueue("Charlie");
        
        Console.WriteLine("Front of queue: " + myQueue.Peek()); // 檢視隊首但不移除
        
        // 出隊：移除並返回隊首元素
        while (myQueue.Count > 0)
        {
            Console.WriteLine("Dequeued: " + myQueue.Dequeue());
        }
    }
}

連結串列（LinkedList）

連結串列就像是一串用繩子串起來的珠子，每個珠子（節點）都連著下一顆珠子。它不像陣列那樣連續儲存，所以插入和刪除操作更快，但訪問特定位置的元素較慢。

// 使用LinkedList<T>類實現連結串列
using System.Collections.Generic;

public class LinkedListExample
{
    public static void Main()
    {
        LinkedList<int> myList = new LinkedList<int>();
        
        // 插入節點
        myList.AddFirst(3);      // 在頭部新增
        myList.AddLast(5);       // 在尾部新增
        myList.AddBefore(myList.First, 2); // 在第一個元素前新增
        
        // 遍歷連結串列
        foreach (int value in myList)
        {
            Console.WriteLine(value);
        }
    }
}

2. 排序和搜尋演算法

接下來是排序和搜尋演算法，它們是我們在處理大量資料時的好幫手。排序演算法幫助我們把資料排成有序的序列，而搜尋演算法則幫助我們快速找到所需的資料。

排序演算法（以氣泡排序為例）

氣泡排序就像是玩撲克牌，每次比較相鄰兩張，如果順序不對就交換，一輪輪下來，最大的牌就像泡泡一樣浮到最上面。

public static void BubbleSort(int[] arr)
{
    int n = arr.Length;
    for (int i = 0; i < n - 1; i++)
    {
        for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++) // 每輪少比較一次
        {
            if (arr[j] > arr[j + 1]) // 如果前一個大於後一個，交換
            {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

搜尋演算法（線性搜尋）

線性搜尋就像是在書架上找一本書，從頭開始一本本檢查，直到找到為止。

public static int LinearSearch(int[] arr, int target)
{
    for (int i = 0; i < arr.Length; i++)
    {
        if (arr[i] == target)
        {
            return i; // 找到了，返回位置
        }
    }
    return -1; // 沒找到，返回-1
}

3. 泛型程式設計

最後，我們還有泛型程式設計，這是一種編寫程式碼的方式，它允許我們建立可以處理多種資料型別的元件，使得程式碼更加通用和靈活。

比如能夠處理多種資料型別的程式碼，不用為每種型別重複寫相似邏輯。就像製作一個“萬能模具”，不管是做蛋糕還是麵包，只要換原料就行。

// 泛型方法示例
public static T Max<T>(T a, T b) where T : IComparable<T>
{
    return a.CompareTo(b) > 0 ? a : b;
}

public static void Main()
{
    Console.WriteLine(Max(10, 20));    // 整數比較
    Console.WriteLine(Max("apple", "banana")); // 字串比較
}

透過泛型，我們讓Max方法既能比較整數大小，也能比較字串的字典序，無需為每種型別單獨寫函式。

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