【硬件-笔试面试题-105】硬件/电子工程师，笔试面试题（知识点：详细讲讲什么是链表和数组）
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【硬件-笔试面试题-105】硬件/电子工程师，笔试面试题（知识点：详细讲讲什么是链表和数组）
1、题目
详细讲讲什么是链表和数组
2、知识点
链表和数组是两种最基础的数据结构，用于存储和组织一系列相同类型的数据，但它们的底层实现、特性和适用场景有显著区别。以下从定义、结构、操作、区别和适用场景等方面详细讲解：
一、数组（Array）
定义
数组是一种连续存储的线性数据结构，它在内存中占据一块连续的存储空间，所有元素按顺序排列，通过索引（下标）可以直接访问任意元素。
内存结构
- 数组的元素在内存中是物理地址连续的，例如一个包含 5 个整数的数组
int arr[5]，在内存中可能占据地址0x1000~0x1014（假设 int 占 4 字节），每个元素的地址间隔固定（等于元素类型大小）。 - 访问元素时，通过公式
地址 = 首地址 + 索引 × 元素大小计算目标元素地址，实现随机访问。
核心特性
- 固定大小：数组在创建时必须指定长度（静态数组），或动态分配后长度固定（动态数组），无法直接扩容（需手动创建新数组并复制元素）。
- 随机访问：通过索引
arr[i]访问元素，时间复杂度为O(1)。 - 连续存储：元素物理地址连续，缓存利用率高（局部性原理）。
基本操作（以 C 语言为例）
c
运行
// 静态数组（编译时确定大小）
int static_arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};// 动态数组（运行时分配大小）
int* dynamic_arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
for (int i = 0; i < 5; i++) {dynamic_arr[i] = i + 1; // 赋值
}// 访问元素（O(1)）
printf("%d\n", static_arr[2]); // 输出3// 插入元素（需移动后续元素，O(n)）
// 在index=2处插入6：[1,2,6,3,4,5]（需先扩容）// 删除元素（需移动后续元素，O(n)）
// 删除index=2的元素：[1,2,4,5]（后续元素前移）free(dynamic_arr); // 释放动态数组内存
二、链表（Linked List）
定义
链表是一种非连续存储的线性数据结构，由多个节点（Node）组成，每个节点包含数据域（存储元素）和指针域（存储下一个 / 上一个节点的地址），通过指针将分散的节点串联成逻辑序列。
内存结构
- 链表的节点在内存中是物理地址分散的，节点之间通过指针关联（逻辑上连续，物理上不连续）。
- 例如单链表的节点结构：
[data | next指针] → [data | next指针] → ...，每个节点的next指针指向后续节点的地址。
核心类型
- 单链表：每个节点只有
next指针（指向后一个节点），尾节点next为NULL。 - 双向链表：每个节点有
prev（指向前一个）和next（指向后一个）指针，支持双向遍历。 - 循环链表：尾节点
next指向头节点，形成闭合环，适合循环访问场景。
核心特性
- 动态大小：无需预先指定长度，可通过添加 / 删除节点动态调整，内存利用率高。
- 顺序访问：只能从表头（或表尾）依次遍历，无法随机访问，访问第
i个元素需O(n)时间。 - 非连续存储：节点物理地址分散，指针域额外占用内存（如单链表每个节点多 4 字节指针）。
基本操作（C 语言单链表示例）
c
运行
// 定义单链表节点
struct Node {int data; // 数据域struct Node* next; // 指针域（指向下一个节点）
};// 创建新节点
struct Node* createNode(int data) {struct Node* node = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));node->data = data;node->next = NULL;return node;
}// 插入节点（头部插入，O(1)）
void insertAtHead(struct Node** head, int data) {struct Node* newNode = createNode(data);newNode->next = *head; // 新节点指向原头节点*head = newNode; // 头指针指向新节点
}// 访问第k个元素（需遍历，O(n)）
int getKthElement(struct Node* head, int k) {struct Node* p = head;for (int i = 0; i < k && p != NULL; i++) {p = p->next;}return p ? p->data : -1; // 假设-1表示越界
}// 删除节点（已知前驱节点时O(1)）
void deleteNode(struct Node* prev) {struct Node* toDelete = prev->next;prev->next = toDelete->next; // 跳过待删节点free(toDelete);
}
三、数组与链表的核心区别
| 对比维度 | 数组（Array） | 链表（Linked List） |
|---|---|---|
| 存储方式 | 内存连续，物理地址相邻 | 内存分散，通过指针串联逻辑顺序 |
| 访问效率 | 随机访问（arr[i]），O(1) | 顺序访问（遍历），O(n) |
| 插入 / 删除效率 | 需移动大量元素（O(n)），头部 / 中间操作慢 | 仅需调整指针（O(1)，已知前驱时），效率高 |
| 内存开销 | 无额外开销，但可能浪费空间（预分配） | 需存储指针，额外开销（如单链表多 4 字节 / 节点） |
| 大小灵活性 | 固定大小，扩容需复制元素（O(n)） | 动态大小，增减节点无需整体调整 |
| 缓存友好性 | 连续存储，缓存命中率高 | 分散存储，缓存利用率低 |
四、适用场景选择
-
优先用数组的场景：
- 需要频繁随机访问（如查找、修改指定索引元素），例如数据库索引、矩阵存储。
- 数据大小固定或可预估，且元素数量少，例如存储用户信息列表、配置参数。
- 对内存开销敏感，不希望额外的指针占用空间。
-
优先用链表的场景：
- 需要频繁插入 / 删除（尤其是中间位置），例如实现链表版队列、栈、哈希表冲突解决。
- 数据大小动态变化，无法预估上限，例如日志记录、实时数据流处理。
- 无需随机访问，只需顺序遍历，例如实现邻接表（图的存储）、多项式表示。
五、总结
- 数组是 “连续存储的线性表”，优势是随机访问快、内存紧凑，劣势是大小固定、插入删除效率低。
- 链表是 “离散存储的线性表”，优势是动态大小、插入删除灵活，劣势是访问效率低、内存开销大。
实际开发中，需根据具体需求（访问方式、增删频率、数据规模）选择合适的数据结构，甚至结合两者的优点（如 Java 的ArrayList用动态数组实现，LinkedList用双向链表实现）。
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