数据架构的基本概念

上节课我们探讨了数据的概念，有些同学可能忘记了，可以回顾一下上一课的内容。今天我们将深入探讨数据结构中“结构”的定义。

说到“结构”，大家可能会想到建筑结构、书本的目录结构等。建筑结构描述的是建筑物内部各个组成部分的关系，而目录结构则展示了一本书中各章节的层次关系。那么，在数据结构中，“结构”又代表什么呢？

官方定义是：存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。换句话说，数据结构研究的是数据元素之间的相互关系，而不是单个数据元素。在计算机中，每个数据元素都有其特定的意义，不是孤立存在的。

为了编写优秀的程序，我们必须深入理解数据元素的特性以及它们之间的关系。这也是研究数据结构的真正意义所在。那么，这些特定关系包括哪些呢？

我们通常将数据结构分为逻辑结构和物理结构，类似于事物抽象与具体的关系。

结构的重要性不言而喻。它既能节省存储空间，又能提高计算机的运算速度。以一个简单的例子来说，假设我们有一个箱子用于装衣服。如果男同学们不整理就直接把衣服丢进去，可能会显得混乱。而女同学则会先把衣服按照大小、样式等分类叠好，再按顺序放入箱子。显然，同样的空间内，女同学的衣物能装得更多，这就是结构的思维带来的差异。

逻辑结构是指数据对象中数据元素之间的相互关系。我们可以将其分为四种：集合结构、线性结构、树形结构、图形结构。

以火柴为例（现在很多年轻人可能不太熟悉火柴），这些火柴看起来都一样，没有任何区别。但在数据结构的世界中，它们可以是集合结构中的元素，彼此之间没有特殊关系。每一个元素都是平等的，它们共同属于一个集合。

线性结构在我们生活中很常见，比如排队就是线性结构的一种体现。树形结构则如公司的结构或学校的架构，存在一对多或一层的层次关系。图形结构则更为复杂，表示多对多的关系，比如电影中的演员合作关系图。

在绘制数据结构的逻辑结构时，要注意每个数据元素都是一个独立的节点，用圆圈表示。元素之间的逻辑关系用连线表示，如果有方向则使用箭头。

接下来我们谈谈物理结构（也称为存储结构）。物理结构是指数据的逻辑结构在计算机中的存储方式。它涉及到如何在实际计算机存储器中存储数据，包括硬盘、软盘、、U盘等外部存储器。

数据的存储结构必须正确反映数据元素之间的逻辑关系。这是关键所在。数据的存储结构主要分为两种形式：顺序存储和链式存储。顺序存储是将数据元素存放在地址连续的存储单元里，数据的逻辑关系和物理关系是一致的。链式存储则更为灵活，数据元素可以存放在任意的存储单元里，这组存储单元可以是连续的，也可以是不连续的。

首次接触抽象概念时，可能会觉得难以理解，但多思考、多想象是关键。每个名词的定义都有其背后的规律，不会凭空想象。例如，我们定义书、动物、电器等概念时，都是基于一定的规则和分类的。在数据类型中，我们也是根据值的不同进行定义的。在高级语言中，每个变量、常量和表达式都有其取值范围和可操作的动作。

计算机语言的设计者考虑数据类型是为了更好地管理和使用内存资源。如果只用一个名称来表示数字、一个符号来表示操作，可能会导致资源的浪费和管理的混乱。就像房子，不同经济实力的人需要不同种类的住房，房地产商会推出满足不同人群需求的房屋类型。计算机内存也是如此，根据数据进行分类，分出多种数据类型，能更好地满足不同的计算需求。

以Java为例，它是一种强类型语言，对数据类型的规范相对严格。本质上讲，数据类型可以分为两种：基本类型和引用类型。Java提供了八种基本类型，包括四种整数型、两种浮点型、一种逻辑型和一种字符型。在Java中，一切都被视为对象，我们操作的标识符实际上是对象的引用。引用就像对象的名字或别名，它在内存中请求一块空间来保存数据。访问对象时，我们通过引用而不是直接访问内存中的数据来访问。引用也是一种数据类型，可以想象成C++中指针的概念，它指示了对象在内存中的地址。