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Java面试宝典之数据结构基础 — 线性表篇


 

 
Java之数据结构基础、线性表、栈和队列、数组和字符串
 
 
 
 
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。
 
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:
[java] view plain copy
int a[];  
int[] b;  
int []c;  
[java] view plain copy
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:
[java] view plain copy
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:
[java] view plain copy
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:
[java] view plain copy
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。
[java] view plain copy
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。
[java] view plain copy
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。
[java] view plain copy
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;  
    }  
}  
 
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。
[java] view plain copy
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。
[java] view plain copy
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"));  
    }  
}