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[数据结构与算法]【数据结构】顺序表和链表的优缺点 | 浅析CPU高速缓存 | 理解 “命中率“ 的概念

?

?前言:

顺序表和链表,这两个结构各有优势,很难说谁更优。严格来说,他们两是相辅相成的两个结构。如果链表的各方面的结构都比顺序表优,我们还学个锤子顺序表呢?所以他们各有优缺点。你的缺点就是我的优点,这是一个互相弥补的状态。


一、优缺点分析

顺序表

优点:

① 支持随机访问(最大的优点)

需要随机访问结构的支持的算法可以很好的适用(排序,二分查找)哪怕顺序表有一百个缺点,只要有这一个优点!顺序表就有存在的意义。

② CPU高速缓存命中率更高(相比链表而言)

(下面会讲解,这个是比较底层的知识了,实在理解不了也没关系)

缺点:

① 头部或者中部插入删除时间复杂度效率低 O(N)

② 连续的物理空间,如果空间不够就需要增容

1. 增容有一定程度的消耗,比如现在有10个空间,你要增容2倍,你要开一个20个对象大小的空间,再把10个空间上的值拷贝下来再释放旧的空间,会消耗。

2. 为了避免频繁增容,我们一般都按倍数去增,用不完可能存在一定的空间浪费。

链表(双向带头循环链表)

优点:

① 任意位置插入删除效率高?O(1) ,前后一链接就可以了不需要挪动数据

② 按需申请释放空间, 在空间的利用上一点都不浪费和占用

缺点:

① 不支持随机访问

不能用下标访问,我想访问第 i 个,做不到。这就意味着有些算法不能用,比如一些排序,二分查找在这种结构上不适用。

② 链表存储一个值,同时要存储链接指针,也有一定的消耗

这是一个比较小的缺点了,因为就那几个指针占用不了多少内存。

③ CPU高速缓存命中率更低(相比顺序表而言)

(下面会讲解)

二、浅析CPU高速缓存

刚才说优缺点的时候,我们提到了CPU高速缓存命中率问题。这里我们将进行一个简单的讲解,讲解完后大家应该就能理解为什么顺序表的命中率较高,链表的命中率相对较低了。参考陈皓

0x00 存储器的层次结构

从单个计算机上来说,分为带电存储和不带电存储。如图所示,黄线以上的部分为带电存储,简单来说就是有电它才能存数据。

远程二级存储(分布式文件系统、Web服务器):不带电存储

比如你把数据存到百度网盘上,就是远程存储。

本地二级存储(本地磁盘):不带电存储

本地磁盘(local disk)是指安装于同一台计算机主板上,不可随意插拔、移动的磁盘(硬盘),一般包括计算机操作系统所在分区及其他分区。

主存(DRAM):带电存储

主存储器(Main memory),简称主存。是计算机硬件的一个重要部件,其作用是存放指令和数据,并能由中央处理器(CPU)直接随机存取。

寄存器:带电存储

CPU速度快,会和寄存器交互。假设要计算 a + b。a 和 b 是存储在主存上的,如果 a 和 b 都比较小,会送到寄存器那里进行计算。寄存器一般很小,但是它的速度特别快。

0x01?举例讲解

?? 假设我们的 CPU 现在要分别遍历顺序表和链表。这里其实还涉及到虚拟内存和物理内存映射问题,既然是浅析,我们就谈谈较为简单的部分。

🔑 执行指令:分别遍历顺序表和链表

0x02 回到问题

这就是为什么链表的CPU高速缓存命中率相比顺序表而言低的原因!

顺序表的CPU高速缓存命中率更高(相比链表而言)

链表的CPU高速缓存命中率较低(相比顺序表而言)

三、总结

链表再好,也有他不适用的地方,有时候还是得用顺序表。就这一个缺点,就让链表直接芭比Q了。排序场景用的很多的(比如按价格,按热度)。

🔗 陈皓大佬的CPU缓存知识详解:与程序员相关的CPU缓存知识


参考资料:

陈皓. 与程序员相关的CPU缓存知识[J]. CoolShell, 2020/3/1.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

📌 笔者:王亦优

📃 更新: 2021.11.16

? 勘误: 无

📜 声明: 由于作者水平有限,本文有错误和不准确之处在所难免,本人也很想知道这些错误,恳望读者批评指正!

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加:2021-11-19 17:52:03  更:2021-11-19 17:52:05 
 
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