Java之美[从菜鸟到高手演变]之数据结构基础、线性表、栈和队列、数组和字符串

Java面试宝典之数据结构基础 —— 线性表篇

作者：egg

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这部分内容作为计算机专业最基础的知识，几乎被所有企业选中用来作考题，因此，本章我们从本章开始，我们将从基础方面对数据结构进行讲解，内容主要是线性表，包括栈、队列、数组、字符串等，主要讲解基础知识，如概念及简单的实现代码，非线性结构我们在后面的文章中给出。过程中有任

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一、数据结构概念

用我的理解，数据结构包含数据和结构，通俗一点就是将数据按照一定的结构组合起来，不同的组合方式会有不同的效率，使用不同的场景，如此而已。比如我们最常用的数组，就是一种数据结构，有独特的承载数据的方式，按顺序排列，其特点就是你可以根据下标快速查找元素，但是因为在数组中插入和删除元素会有其它元素较大幅度的便宜，所以会带来较多的消耗，所以因为这种特点，使得数组适合：查询比较频繁，增、删比较少的情况，这就是数据结构的概念。数据结构包括两大类：线性结构和非线性结构，线性结构包括：数组、链表、队列、栈等，非线性结构包括树、图、表等及衍生类结构。本章我们先讲解线性结构，主要从数组、链表、队列、栈方面进行讨论，非线性数据结构在后面会继续讲解。

二、线性表

线性表是最基本、最简单、也是最常用的一种数据结构。线性表中数据元素之间的关系是一对一的关系，即除了第一个和最后一个数据元素之外，其它数据元素都是首尾相接的。线性表的逻辑结构简单，便于实现和操作。因此，线性表这种数据结构在实际应用中是广泛采用的一种数据结构。其基本操作主要有：

   1）MakeEmpty(L) 这是一个将L变为空表的方法
   2）Length（L） 返回表L的长度，即表中元素个数 
   3）Get（L，i） 这是一个函数，函数值为L中位置i处的元素（1≤i≤n）
   4）Prev（L，i） 取i的前驱元素
   5）Next（L，i） 取i的后继元素
   6）Locate（L，x） 这是一个函数，函数值为元素x在L中的位置
   7）Insert（L，i，x）在表L的位置i处插入元素x，将原占据位置i的元素及后面的元素都向后推一个位置
   8）Delete（L，p） 从表L中删除位置p处的元素
   9）IsEmpty(L) 如果表L为空表(长度为0)则返回true，否则返回false
   10）Clear（L）清除所有元素
   11）Init（L）同第一个，初始化线性表为空
   12）Traverse（L）遍历输出所有元素
   13）Find（L，x）查找并返回元素
   14）Update（L，x）修改元素
   15）Sort（L）对所有元素重新按给定的条件排序
   16) strstr(string1,string2)用于字符数组的求string1中出现string2的首地址

不管采用哪种方式实现线性表，至少都应该具有上述这些基本方法，下面我会将下数据结构的基本实现方式。

三、基础数据结构

数据结构是一种抽象的数据类型（ADT），可以这么说，我们可以采用任意的方式实现某种数据结构，只要符合将要实现的数据结构的特点，数据结构就是一种标准，我们可以采用不同的方式去实现，最常用的两种就是数组和链表（包括单链表、双向链表等）。数组是非常常见的数据类型，在任何一种语言里都有它的实现，我们这里采用Java来简单实现一下数组。
数组是一种引用类型的对象，我们可以像下面这样的方式来声明数组：

int a[];int[] b;int []c;

        a = new int[10];

总结起来，声明一个数组有基本的三个因素：类型、名称、下标，Java里，数组在格式上相对灵活，下标和名称可以互换位置，前三种情况我们可以理解为声明一个变量，后一种为其赋值。或者像下面这样，在声明的时候赋值：

int c[] = {2,3,6,10,99};int []d = new int[10];

我稍微解释一下，其实如果只执行：int[] b,只是在栈上创建一个引用变量，并未赋值，只有当执行d = new int[10]才会在堆上真正的分配空间。上述第一行为静态初始化，就是说用户指定数组的内容，有系统计算数组的大小，第二行恰恰相反，用户指定数组的大小，由系统分配初始值，我们打印一下数组的初始值：

int []d = new int[10];System.out.println(d[2]);

结果输出0，对于int类型的数组，默认的初始值为0.

但是，绝对不可以像下面这样：

       int e[10] = new int[10];

无法通过编译，至于为什么，语法就是这样，这是一种规范，不用去想它。
我们可以通过下标来检索数组。下面我举个简单的例子，来说明下数组的用法。

public static void main(String[] args) {String name[];name = new String[5];name[0] = "egg";name[1] = "erqing";name[2] = "baby";for (int i = 0; i < name.length; i++) {System.out.println(name[i]);}}

这是最简单的数组声明、创建、赋值、遍历的例子，下面写个增删的例子。

package com.xtfggef.algo.array;public class Array {public static void main(String[] args) {int value[] = new int[10];for (int i = 0; i < 10; i++) {value[i] = i;}// traverse(value);// insert(value, 666, 5);delete(value, 3);traverse(value);}public static int[] insert(int[] old, int value, int index) {for (int k = old.length - 1; k > index; k--)old[k] = old[k - 1];old[index] = value;return old;}public static void traverse(int data[]) {for (int j = 0; j < data.length; j++)System.out.print(data[j] + " ");}public static int[] delete(int[] old, int index) {for (int h = index; h < old.length - 1; h++) {old[h] = old[h + 1];}old[old.length - 1] = 0;return old;}}

简单写一下，主要想说明数组中删除和增加元素的原理：增加元素，需要将index后面的依次向后移动，然后将值插入index位置，删除则将后面的值依次向前移动，较简单。

要记住：数组是表示相同类型的一类数据的集合，下标从0开始，就行了。

数组实现的线下表可以参考ArrayList，在JDK中附有源码，感兴趣的同学可以读读。下面我简单介绍下单链表。

单链表是最简单的链表，有节点之间首尾连接而成，简单示意如下：

除了头节点，每个节点包含一个数据域一个指针域，除了头、尾节点，每个节点的指针指向下一个节点，下面我们写个例子操作一下单链表。

package com.xtfggef.algo.linkedlist;public class LinkedList<T> {/** * class node * @author egg * @param <T> */private static class Node<T> {T data;Node<T> next;Node(T data, Node<T> next) {this.data = data;this.next = next;}Node(T data) {this(data, null);}}// dataprivate Node<T> head, tail;public LinkedList() {head = tail = null;}/** * judge the list is empty */public boolean isEmpty() {return head == null;}/** * add head node */public void addHead(T item) {head = new Node<T>(item);if (tail == null)tail = head;}/** * add the tail pointer */public void addTail(T item) {if (!isEmpty()) { tail.next = new Node<T>(item);tail = tail.next;} else { head = tail = new Node<T>(item);}}/** * print the list */public void traverse() {if (isEmpty()) {System.out.println("null");} else {for (Node<T> p = head; p != null; p = p.next)System.out.println(p.data);}}/** * insert node from head */public void addFromHead(T item) {Node<T> newNode = new Node<T>(item);newNode.next = head;head = newNode;}/** * insert node from tail */public void addFromTail(T item) {Node<T> newNode = new Node<T>(item);Node<T> p = head;while (p.next != null)p = p.next;p.next = newNode;newNode.next = null;}/** * delete node from head */public void removeFromHead() {if (!isEmpty())head = head.next;elseSystem.out.println("The list have been emptied!");}/** * delete frem tail, lower effect */public void removeFromTail() {Node<T> prev = null, curr = head;while (curr.next != null) {prev = curr;curr = curr.next;if (curr.next == null)prev.next = null;}}/** * insert a new node * @param appointedItem * @param item * @return */public boolean insert(T appointedItem, T item) {Node<T> prev = head, curr = head.next, newNode;newNode = new Node<T>(item);if (!isEmpty()) {while ((curr != null) && (!appointedItem.equals(curr.data))) {prev = curr;curr = curr.next;}newNode.next = curr; prev.next = newNode;return true;}return false; }public void remove(T item) {Node<T> curr = head, prev = null;boolean found = false;while (curr != null && !found) {if (item.equals(curr.data)) {if (prev == null)removeFromHead();elseprev.next = curr.next;found = true;} else {prev = curr;curr = curr.next;}}}public int indexOf(T item) {int index = 0;Node<T> p;for (p = head; p != null; p = p.next) {if (item.equals(p.data))return index;index++;}return -1;}/** * judge the list contains one data */public boolean contains(T item) {return indexOf(item) != -1;}}

单链表最好玩儿的也就是增加和删除节点，下面的两个图分别是用图来表示单链表增、删节点示意，看着图学习，理解起来更加容易！

接下来的队列和栈，我们分别用不同的结构来实现，队列用数组，栈用单列表，读者朋友对此感兴趣，可以分别再用不同的方法实现。

四、队列
队列是一个常用的数据结构，是一种先进先出（First In First Out, FIFO）的结构，也就是说只能在表头进行删除，在表尾进行添加，下面我们实现一个简单的队列。

package com.xtfggef.algo.queue;import java.util.Arrays;public class Queue<T> {private int DEFAULT_SIZE = 10;private int capacity;private Object[] elementData;private int front = 0;private int rear = 0;public Queue(){capacity = DEFAULT_SIZE;elementData = new Object[capacity];}public Queue(T element){this();elementData[0] = element;rear++;}public Queue(T element , int initSize){this.capacity = initSize;elementData = new Object[capacity];elementData[0] = element;rear++;}public int size(){return rear - front;}public void add(T element){if (rear > capacity - 1){throw new IndexOutOfBoundsException("the queue is full!");}elementData[rear++] = element;}    public T remove(){if (empty()){throw new IndexOutOfBoundsException("queue is empty");}@SuppressWarnings("unchecked")T oldValue = (T)elementData[front];elementData[front++] = null; return oldValue;}        @SuppressWarnings("unchecked")public T element()      {          if (empty())          {              throw new IndexOutOfBoundsException("queue is empty");          }          return (T)elementData[front];      }  public boolean empty(){return rear == front;}public void clear(){Arrays.fill(elementData , null);front = 0;rear = 0;}public String toString(){if (empty()){return "[]";}else{StringBuilder sb = new StringBuilder("[");for (int i = front  ; i < rear ; i++ ){sb.append(elementData[i].toString() + ", ");}int len = sb.length();return sb.delete(len - 2 , len).append("]").toString();}}public static void main(String[] args){Queue<String> queue = new Queue<String>("ABC", 20);queue.add("DEF");queue.add("egg");System.out.println(queue.empty());System.out.println(queue.size());System.out.println(queue.element());queue.clear();System.out.println(queue.empty());System.out.println(queue.size());}}

队列只能在表头进行删除，在表尾进行增加，这种结构的特点，适用于排队系统。

五、栈

栈是一种后进先出（Last In First Out，LIFO）的数据结构，我们采用单链表实现一个栈。

package com.xtfggef.algo.stack;import com.xtfggef.algo.linkedlist.LinkedList;public class Stack<T> {static class Node<T> {T data;Node<T> next;Node(T data, Node<T> next) {this.data = data;this.next = next;}Node(T data) {this(data, null);}}@SuppressWarnings("rawtypes")static LinkedList list = new LinkedList();@SuppressWarnings("unchecked")public T push(T item) {list.addFromHead(item);return item;}public void pop() {list.removeFromHead();}public boolean empty() {return list.isEmpty();}public int search(T t) {return list.indexOf(t);}public static void main(String[] args) {Stack<String> stack = new Stack<String>();System.out.println(stack.empty());stack.push("abc");stack.push("def");stack.push("egg");stack.pop();System.out.println(stack.search("def"));}}

本章的内容都是很基础的，重在让读者朋友们理解数据结构的概念，下章开始，我们会介绍树、二叉树等Java中的实现，敬请读者朋友们持续关注！

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