算法和数据结构-初级 | 第一课：什么是算法和数据结构
程序 = 数据结构 + 算法
作者 谢恩铭 转载请注明出处
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内容简介
- 前言
- 什么是算法
- 算法无处不在
- 计算机的“特权”角色
- 什么是数据结构
- 第二课预告
1. 前言
程序员应该知道：程序 = 数据结构 + 算法（Program = Data Structure + Algorithm ）。
作为一个程序员，如果不了解算法和数据结构，应该会不太好意思出门跟人家打招呼。
在这个初级课程里，我会带大家以循序渐进、轻松幽默的形式入门算法和数据结构，相信我们会度过一段非常愉快的时光。
话休絮烦，我们直接进入主题。
2. 什么是算法
首先我们来思考一个问题：
什么是算法？
要很准确地回答这个问题并不容易，但其实也没那么难，我不需要用一大堆理论来说清楚什么是算法，况且算法也不仅限于 IT 编程领域。
所以一个通俗易懂的回答可以是：
算法 是以简单概念的形式对如何解决问题的一种精确描述。
所以说：
- 算法是一种描述（description），且是一种精确的描述
- 描述什么？描述如何解决问题
- 以什么样的形式来描述？以简单概念的形式
说到问题，在日常生活中，我们经常需要解决问题。有的人可能每天需要解决很多问题，有的人可能就是问题本身。
下面我就来描述一个生活中的问题，从广义上来考虑“问题”和“算法”的概念。
3. 无所不在的算法
我们可以用一个几乎关乎所有人的问题来开始说明：烹饪。毕竟“民以食为天”。
假设你饿了，你来到厨房，想整点什么吃的，正好你看到了一包方便面，然后你不自觉舔了舔舌头，你想吃方便面了（如果你正好是在睡觉前看到这里，请不要打我。不鼓励大家多吃方便面。这里的例子也可以是煮饭、煮面或者烹饪其他食物），那你应该怎么烹饪它呢？
这是一个简单的过程（这里只说最简单的水煮的方式，请大家不要纠结烹饪的细节，也许你有其他更好的烹饪方便面的方式）：
-
在锅子里倒入适量水
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在炉子上点起火来（如果是电磁炉就不用火）
-
把锅子放在炉子上
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等待水开，转中火
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把方便面饼放入锅中
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煮半分钟
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放入所有调料包
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煮 1 分钟
-
出锅
美味的方便面
可以看到，我已经以简单概念的形式精确描述了如何解决“煮方便面”这个问题。
所以上面这套流程的描述，你可以把它称为“算法”，这个算法是专门针对“煮方便面”这个问题的。
你会注意到上面的例子中有许多暗含的东西：我说你最初拥有一包方便面，但你也需要锅子、水，等。
我们可能会处于所有这些东西都不可用的特定情况下，然后我们就得使用另一种算法（或许先得自己造口锅出来）。
上面的流程里，我使用的各条指令（步骤）是比较“精确的”，但我们可以精简到更少的指令，或扩充到更多指令。你也许会说，如果要更精确地说，得说明如何把水装进锅子里。
如果要根据这个食谱来烹饪方便面的人不知道如何执行“在锅子里倒入适量水”这一指令，则有必要用更简单的术语解释（例如，需要解释如何使用水龙头）。
类似地，在我们编程时，你使用的算法的精度取决于许多参数：你使用的编程语言，可用的库，等等。
4. 计算机的“特权”角色
如果在日常生活中能找到算法的痕迹，为什么我们却主要在计算机科学（Computer Science）中讨论它呢？
原因很简单：
计算机（或电脑）非常擅长执行重复性任务。它们快速，高效，“任劳任怨”，从不喊累。
假设我们可以描述用于计算 3 的平方根的小数的算法（这算法得是人可以操作的）。利用这个算法，你可以使用纸和笔来计算 3 的平方根的前 7 个小数位（1.7320508）。
但如果需要你计算 3 的平方根的前 10 万个小数位呢？用纸和笔会算到怀疑人生。这种时候，计算机将变得更加合适。
我们可以设计出不少用于信息处理的算法。说到信息处理，通常有以下几类：
- 研究
- 比较
- 分析
- 分类
- 提取
计算机通常在这些方面更加有优势，可以很好地处理大量信息。
你可能已经想到了著名搜索引擎谷歌（最初谷歌正是靠着其搜索算法的实力才能主导市场，成就了今天几千亿美元的市值），但这种活动并不仅限于互联网领域。
当你玩实时战略游戏的时候，如果你下达指令给一个单位，让它移动。此时电脑需要掌握很多的信息（例如地图的结构，单位的起点，单位的终点），它也必须产生新的信息：单位应走的路线。
所以其实算法源于生活（毕竟是人想出来的），但是我们通常在 IT（信息技术）这个领域才讨论算法，因为计算机的特殊性。
5. 什么是数据结构
上面说到了算法，现在我们来聊聊数据结构。
除了处理信息外，还必须考虑如何存储信息。存储信息的方式可能会对其处理方式产生非常重要的影响。
具体地说，以字典为例：
我们可以将字典定义为“单词及其定义的一个集合”（一个单词对应一个定义）。
如果一部字典里的单词是胡乱排序的，这样的字典应该很难使用吧。比如你要找一个单词的定义，你得一页页地翻字典，直到找到那个单词。
按字母顺序来排列单词显然是一种非常有效的解决方案，可以快速找到你所要的单词。
算法（描述方法）和数据结构（描述组织）之间存在非常紧密的联系。
简单来说，对信息的存储方式就是数据结构关心的事，对信息的处理方式就是算法关心的事。
通常，某些数据结构对于某些算法的实现至关重要；反之亦然。
例如，如果我们想要在已经按字母顺序排列好的字典中添加一个新单词，我们就不能只是将这个新单词写在字典的最后一页的空白处，而是必须使用算法将其添加到正确的位置。
因此，数据结构的研究与算法的研究是密不可分的，我们需要同时来学习它们。
6. 第二课预告
今天的课就到这里，一起加油吧！
下一课我们将用一个小故事来引出算法复杂度的学习（真正算法复杂度的讲论将在第三课）：
敬请期待下一课：算法和数据结构-初级 | 第二课：小鸭子们去度假
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我是 谢恩铭，在巴黎奋斗的软件工程师。
热爱生活，喜欢游泳，略懂烹饪。
人生格言：「向着标杆直跑」
