Java面试宝典之数据结构基础 —— 线性表篇
来源:互联网 发布:淘宝商品过期说明什么 编辑:程序博客网 时间:2024/05/18 00:08
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;
int a[];int[] b;int []c;
- a = new int[10];
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];
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]);
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];
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]);
- }
- }
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;
- }
- }
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);
- }
- }
- // data
- private 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;
- else
- System.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();
- else
- prev.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;
- }
- }
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());
- }
- }
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"));
- }
- }
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