java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之物理上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

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正文

物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)形式。

但是在理解物理上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之前，我們要先對(duì)硬盤有一個(gè)足夠的了解。

硬盤是一個(gè)實(shí)際存在的物品，那么也就是說，這個(gè)硬盤不可能如我們想象出的邏輯設(shè)計(jì)那樣，去存儲(chǔ)我們的數(shù)據(jù)。想象一下，如果存一百萬條數(shù)據(jù)，我們?cè)谟脖P中隨意存儲(chǔ)，不按照客觀的物理規(guī)則來存儲(chǔ)，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，硬盤的空間會(huì)被很大的浪費(fèi)掉。

也因此，在硬盤中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們必須按照一定的客觀規(guī)律來。而這種客觀規(guī)律，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的過程中，逐漸形成了現(xiàn)在比較常見的兩種規(guī)律。

1.順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，是將我們邏輯上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中相鄰的數(shù)據(jù)，在物理位置上，也存儲(chǔ)在相鄰的位置。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)關(guān)系由存儲(chǔ)單元的鄰接關(guān)系來體現(xiàn)。

也就是說，數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系和物理關(guān)系是一致的。

一般來說，在我們java語言中，描述這種物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的話，都是借助我們的 數(shù)組 來闡述的。如圖所示：

這種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，還是很好理解的，說白了，就是排隊(duì)而已，每一條數(shù)據(jù)都是占一小段空間，按照順序站好，占據(jù)著連續(xù)的存儲(chǔ)空間。

1.1 優(yōu)點(diǎn)

順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)還是比較明顯的，由于是按照物理上的存儲(chǔ)空間的順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，那么對(duì)存儲(chǔ)空間的利用率就會(huì)非常高，存儲(chǔ)密度比較大。

而且因?yàn)槭琼樞虼鎯?chǔ)數(shù)據(jù)，那么也就是說，我們的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在這里的時(shí)候，天然在硬盤中的平均尋道時(shí)間中，就會(huì)快很多。

那么，什么是尋道時(shí)間呢？ 先看一張關(guān)于磁盤的圖片，如下：

我們發(fā)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的硬盤，數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)到磁盤中的磁道（磁盤盤片）中，通過磁頭（讀寫磁頭）來查找數(shù)據(jù)。而平均尋道時(shí)間就是指磁頭移動(dòng)到數(shù)據(jù)所在的磁道所使用的時(shí)間的平均值。

如果硬盤的尋道速度變快，那么就意味著我們的查找數(shù)據(jù)能力也在變快。

而在我們的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，我們的數(shù)據(jù)是按照磁道的輪轉(zhuǎn)順序存儲(chǔ)到磁道上的，也就是說，當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)查找的時(shí)候，會(huì)更快的定位到實(shí)際的數(shù)據(jù)所在，這也就是意味著我們的數(shù)據(jù)查找速度變快。

<table><tr><td> 小知識(shí)；

在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)進(jìn)化過程中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有了很大的變化，比如說我們現(xiàn)在比較常見的固態(tài)硬盤，由于SSD固態(tài)硬盤沒有磁頭，所以幾乎不存在尋道時(shí)間這一概念，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令時(shí)，不需要磁頭和盤片，而是直接從Flash顆粒上讀取，相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間來說要快多了。

</td></tr></table>

順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度大，存儲(chǔ)空間的利用率要大。

2. 查找速度比較快。

1.2 缺點(diǎn)

首先我們知道的是，順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)空間中，是連續(xù)的，如下圖所示；

那么當(dāng)我們要插入一條數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)怎么樣呢？如圖所示：

從圖所示的插入過程中，我們發(fā)現(xiàn)，自插入位置起，后面的所有數(shù)據(jù)元素都往后面移動(dòng)了一位，想一想，如果數(shù)據(jù)量上去了，那么等于大量的數(shù)據(jù)都要移動(dòng)，而且實(shí)際的情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這個(gè)更糟糕，所以這樣的插入效率，可想而知。

而刪除的過程，雖然和插入恰恰相反，但是造成的后果，都是一樣的，都是會(huì)導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)移動(dòng)位置。

也因此，我們知道的是，順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，就是在插入或者是刪除的時(shí)候，效率會(huì)比較低。

2. 鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際的數(shù)據(jù)操作過程中，有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要的是查找的時(shí)候速度快一點(diǎn)，那么我們的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是符合這種需求的，但是也有很多時(shí)候，我們的數(shù)據(jù)會(huì)被多次刪除也會(huì)被多次的插入，這就引發(fā)了一個(gè)問題，順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不能滿足這種需求場(chǎng)景，于是就出現(xiàn)了鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)。

鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)是將數(shù)據(jù)元素存放在任意的存儲(chǔ)單元里，這組存儲(chǔ)單元可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。

也就是說，在鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)是可以放到這個(gè)存儲(chǔ)空間的任意位置，也因此，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間物理位置的關(guān)系，不能表達(dá)出數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。

那么，要如何解決這種邏輯關(guān)系呢？

于是在鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中，會(huì)將一個(gè)數(shù)據(jù)單元，分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)數(shù)據(jù)域，一個(gè)指針域。

數(shù)據(jù)域存儲(chǔ)的就是我們實(shí)際的數(shù)據(jù)，而指針域則存儲(chǔ)的是關(guān)聯(lián)的其他數(shù)據(jù)的位置的指針，如果要通過鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù) [A , B , C , D , E] ，存儲(chǔ)的大概模型如圖所示：

在這張圖的基礎(chǔ)上，經(jīng)過轉(zhuǎn)變后，將圖變?yōu)槿缦碌臉幼樱? 這樣可以看的出來，指針域指向了下一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，也就是說，在連式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，是通過指針域的指向關(guān)系來表現(xiàn)的，和數(shù)據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)的位置沒有關(guān)系。

2.1 優(yōu)點(diǎn)

鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是很好理解的，先看鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的插入圖：

由于鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的關(guān)系不是由數(shù)據(jù)的實(shí)際存儲(chǔ)位置表示的，而是由各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的指針域來表示的，那么也就是說，在數(shù)據(jù)插入或者刪除的時(shí)候，不需要將插入數(shù)據(jù)后面的數(shù)據(jù)移動(dòng)，只需要修改一下指針域的指向性就可以了。

也就是說，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的插入或者刪除元素很方便，比較靈活。而且我們看到的是，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)不需要連續(xù)的內(nèi)存來存儲(chǔ)，也就是說，對(duì)碎片型的內(nèi)存的利用效率還是相對(duì)比較高的。

2.2 缺點(diǎn)

在順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)就只需要存儲(chǔ)這個(gè)數(shù)據(jù)就行。但是在鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，除了存儲(chǔ)的是這個(gè)數(shù)據(jù)外，還需要存儲(chǔ)和這個(gè)數(shù)據(jù)相關(guān)的指針域。

這樣，就相比于順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)多存儲(chǔ)了一部分其他的數(shù)據(jù)，所以對(duì)存儲(chǔ)空間的利用率就會(huì)降低。

而且要注意的是，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，在物理邏輯上講，因?yàn)閷?shí)際存儲(chǔ)的位置不是順序的，那么讀取的時(shí)候，效率會(huì)比較低。

總結(jié)

3.1 順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度大，存儲(chǔ)空間的利用率要大。

2. 查找速度比較快。 缺點(diǎn)：

3. 插入或者是刪除的時(shí)候，效率會(huì)比較低

3.2 鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 插入或者刪除的時(shí)候，效率比較高

2. 對(duì)碎片型的內(nèi)存利用率高。 缺點(diǎn)：

3. 額外新增了指針域的數(shù)據(jù)，對(duì)內(nèi)存的消耗大

4. 在讀取的時(shí)候效率比較低。

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