常見資料結構分析及實現
說明
- 本文中的程式碼是參考《Java程式設計思想》、某培訓機構。
- 文中的程式碼放Github了，有興趣的可以看看，點個star鼓勵下我。
- 程式碼在Sublime中敲的，坑爹的GBK，註釋了很多中文，一轉碼不能用了！！！
- 重點在思想，而不是實現 。再次推薦《Java程式設計思想》。
1、資料結構
程式設計的本質就是對資料(資訊以資料的形式而存在)的處理，實際程式設計中不得不處理大量資料，因此實際動手程式設計之前必須先分析處理這些資料，處理資料之間存在的關係。
現實的資料元素之間有個錯綜複雜的邏輯關係，需要採用合適的物理結構來儲存這些資料，並以此為基礎對這些資料進行相應的操作。同時還要分析這些資料結構在時間和空間上的開銷。這種專門研究應用程式中的資料之間的邏輯關係，儲存方式及其操作的學問就是資料結構。
資料元素之間存在的關聯關係被稱為資料的邏輯結構,歸納起來，大致有如下四種基本的邏輯結構：
- 集合：資料元素之間只有"同屬於一個集合"的關係
- 線性關係：資料元素之間存在一個對一個的關係
- 樹形結構：資料元素之間存在一個對多個的關係
- 圖狀結構或網狀結構：資料元素之間存在多個對多個的關係。
腦補圖：
圖片>程式碼>文字,個人理解，能用圖片說明問題的就不要用程式碼，同理，儘量用程式碼+文字解釋問題的本質。
同一種的邏輯結構，在底層通常有兩種物理儲存結構：
- 順序儲存結構，如一維陣列
- 非順序儲存結構，如鏈式儲存結構(連結串列)、雜湊
順序結構適合讀操作(為啥呢？因為有索引啊)，連結串列儲存適合寫操作(為啥呢？斷開，加上節點就完成，不需要底層複製啊)
演算法的設計取決於邏輯結構：演算法的實現依賴於儲存結構。物件的設計取決於類結構，(...)
什麼是資料結果呢？資料結構歸納起來所要研究的問題就三方面：
- 資料元素之間的客觀聯絡(邏輯結構)
- 資料在計算機內部的儲存方式(儲存結構)
- 針對資料實施的有效的操作和處理(演算法)
物件之間的關係(對現實的抽象，繼承？組合?)，儲存在記憶體中哪裡，堆上啊，怎麼存？存在陣列裡？hash表裡？怎麼處理的啊？增刪改查啊，排序那，加密解密啊，
Stack
對於普通的線性表而言，它的作用是一個容器，用於裝具有相似結果的資料。
- 分為順序儲存機構和鏈式儲存結構
- 可以進行插入、刪除和排序的操作
- 如果線性表之允許線上性表的某端新增、刪除元素，這時就演變為：棧和佇列。(先進後出(彈夾)，先進先出(火車站排隊))
以下圖片來自維基百科(百X百科就別看了)
原諒沒放恐怖的，來自Google(百X就別用了)
棧(Stack),是一種特殊的線性表，只能在固定的一端(線性表的尾端)進行插入、刪除操作。
- 允許進行插入、刪除操作的一端為棧頂(top),另一端，你猜？(bottom)
- 進棧：將一個元素插入棧的過程，棧的長度+1，(壓入子彈)
- 出棧：刪除一個元素的過程，棧的長度-1.(彈出發射...)
- 先進後出，或者說後進先出。
- 常用操作：初始化，(隨著棧幀的移除，方法在執行。可能出現stackoverflow.com/),++i,i++,
- 在Java中繼承關係，Stack繼承自Vector，List，(abstractList?)
需求： 請編寫程式碼實現Stack類，該類能夠實現後進先出的堆疊功能，要求實現的方法包括：
- Stack(int) 例項化指定深度的棧
- boolean push(E item) 像棧頂壓入物件，成功返回true，棧已滿返回false
- E pop() 從棧頂移除物件並返回，為空則返回null
- E peek() 檢視並返回棧頂的物件，為空返回null
- int size() 返回棧中當前元素數量
- int depth() 返回當前堆疊深度
萬惡的字元編碼，無比的鬱悶以下所有程式碼參考網路，在Sublime中編寫。
基於單列表實現：
class Node<E> {
Node<E> next = null;
E data;
public Node(E data) {
this.data = data;
}
}
//採用單連結串列實現棧
public class MyStack<E> {
int depth; //棧的深度
public MyStack(int i) {
this.depth = i;
}
Node<E> top = null;
//將元素壓入棧中
public boolean push(E data) {
if(size() < depth) {
Node<E> newNode = new Node<E>(data);
newNode.next = top;
top = newNode;
return true;
}
return false;
}
//讀取棧中的頭節點，不刪除頭節點
public E peek() {
if(top ==null) {
return null;
}
return top.data;
}
//獲取棧中的頭節點，並刪除頭節點
public E pop() {
if(top ==null) {
return null;
}
Node<E> tmp = top;
top = top.next;
return tmp.data;
}
//棧的元素個數
public int size() {
int len = 0;
Node tmeNode = top;
while(tmeNode != null) {
tmeNode = tmeNode.next;
len++;
}
return len;
}
//當前棧的深度
public int depth() {
return this.depth;
}
public static void main(String[] args) {
MyStack stack = new MyStack(2);
System.out.println(stack.push(1));
System.out.println(stack.push(2));
System.out.println(stack.push(3));
System.out.println("棧的元素個數： " +stack.size());
System.out.println(stack.pop());
System.out.println(stack.pop());
System.out.println(stack.pop());
System.out.println("棧的元素個數： " + stack.depth());
}
}
---------------------------此程式碼來自《Java程式設計思想》----------------------------------
import java.util.LinkedList;
public class Stack<T> {
private LinkedList<T> storage = new LinkedList<T>();
public void push(T v) { storage.addFirst(v); }
public T peek() { return storage.getFirst(); }
public T pop() { return storage.removeFirst(); }
public boolean empty() { return storage.isEmpty(); }
public String toString() { return storage.toString(); }
}
複製程式碼在來看看大佬的另一種實現，簡單明瞭啊。
public class LinkedStack<T> {
private static class Node<U> {
U item;
Node<U> next;
Node() {
item = null;
next =null;
}
Node(U item,Node<U> next) {
this.item = item;
this.next = next;
}
boolean end() {
return item == null && next == null;
}
}
private Node<T> top = new Node<T>();
public void push(T item) {
top = new Node<T>(item,top);
}
public T pop() {
T result = top.item;
if (!top.end()) {
top = top.next;
}
return result;
}
public static void main(String[] args) {
LinkedStack<String> lss = new LinkedStack<String>();
for (String s : "Phasers on stun!".split(" ") )
lss.push(s);
String s;
while((s = lss.pop()) != null)
System.out.println(s);
}
}
輸出如下：
I:\Java\note\sort\code>java LinkedStack
stun!
on
Phasers
複製程式碼Queue
佇列(queue),也是一種特殊的線性表，使用固定的一端來插入資料，另一端用於刪除資料
- 先進先出，就像火車站排隊買票一樣！！！，整個隊伍向前面移動。
- 分為順序佇列結構和鏈式佇列結構
- 從JDK 5 開始，Java集合框架提供了Queue介面，實現該介面的類可以當成佇列使用，如LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue。
- 可以通過輪詢和等待-通知機制實現阻塞佇列。
具體Queue實現：
import java.util.*;
public class SimpleQueue<T> implements Iterable<T> {
private LinkedList<T> storage = new LinkedList<T>();
public void add(T t){
storage.offer(t);
}
public T get() {
return storage.poll();
}
public Iterator<T> iterator() {
return storage.iterator();
}
public static void main(String[] args) {
SimpleQueue queue = new SimpleQueue();
queue.add(8);
System.out.println(queue.get());
}
}
複製程式碼我們在來看看用Stack如何實現Queue，非常不錯，《Java程式設計思想》
import java.util.Stack;
public class MyQueue{
Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
Stack<Integer> stackTmp = new Stack<Integer>();
//Push element X to the back of queue
public void push(int x) {
stack.push(x);
}
//Removes the element form in front of queue
public void pop() {
if (stackTmp.isEmpty()) {
while (!stack.isEmpty()) {
int tmp = stack.peek();
stackTmp.push(tmp);
stack.pop();
}
}
else {
stackTmp.pop();
}
}
//Get the front element
public int peek() {
if (!stackTmp.isEmpty()) {
int tmp = stack.peek();
stackTmp.push(tmp);
}
return stackTmp.peek();
}
//Return whether the queueis empty
public boolean empty() {
if (stackTmp.isEmpty() && stack.isEmpty()) {
return true;
}else {
return false;
}
}
public static void main(String[] args) {
MyQueue queue = new MyQueue();
queue.push(8);
System.out.println(queue.empty()); //false
}
}
複製程式碼Tree
樹，也是一種資料結構，非線性的，這種結構內的元素存在一對多的關係。
-
樹，尤其是二叉樹應用很廣泛，排序二叉樹，平衡二叉樹，紅黑樹。
-
二叉樹，在普通的樹的基礎上，讓一顆樹中每個節點最多隻能包含兩個子節點，且嚴格區分左子節點和右子節點(位置不能變化) -遍歷二叉樹，考慮深讀，優先遍歷。(先序遍歷、中序遍歷、後續遍歷)和廣度優先遍歷。
-
哈夫曼樹，一種帶權路徑最短的二叉樹，在資訊檢索中非常有用
-
哈夫曼編碼，假設需要對一個字串如“abcabcabc”進行編碼，將它轉化為唯一的二進位制碼，同時要求轉換出來的二進位制碼的長度最小。可以採用哈夫曼樹來解決報文編碼問題
-
排序二叉樹：一種特殊的二叉樹，可以非常方便的對樹中的所有節點進行排序和檢索。
二叉樹，這裡採用遞迴和內部類的思想。
public class BinaryTree {
private Node root;
//新增節點
public void add(int data) {
if (root ==null) {
root = new Node(data);
}else {
root.addNode(data);
}
}
//列印節點
public void print() {
root.printNode();
}
private class Node {
private int data;
private Node left;
private Node right;
public Node(int data) {
this.data = data;
}
public void addNode(int data) {
//核心思想就是進來先個當前節點比，如果如果小於則在左邊新增，如果左邊沒子節點，則建立，如果有新增
if (this.data > data) {
if (this.left == null) {
this.left = new Node(data);
}else {
this.addNode(data); //這裡應該是採用遞迴。
}
}else {
if (this.right == null) {
this.right = new Node(data);
}else {
this.right.addNode(data);
}
}
}
//中序遍歷
public void printNode() {
if (this.left != null) {
this.left.printNode();
}
System.out.println(this.data + "->");
if (this.right !=null) {
this.right.printNode();
}
}
}
}
------------------------測試-----------------------------------------------
public static void main(String[] args) {
BinaryTree bt = new BinaryTree();
// 8、3、10、1、6、14、4、7、13
bt.add(8);bt.add(3);bt.add(10);
bt.add(1);bt.add(6);bt.add(14);
bt.add(4);bt.add(7);bt.add(13);
bt.print();
}
輸出：
1->3->4->6->7->8->10->13->14->
複製程式碼LinkedList
ArrayList因為亂碼，寫了一半，無奈啊，完全坑我，其思想就是根據索引，涉及到擴容，判斷越界了麼，。這裡先不管了。直接看LinkedList。
public class MyLinkedList {
protected Node first; // 連結串列的第一個節點
protected Node last; // 連結串列的最後一個節點
private int size; // 節點的數量
// 連結串列中的每一個節點
public class Node {
public Node(Object ele) {
this.ele = ele;
}
Node prev; // 上一個節點物件
Node next; // 下一個節點物件
public Object ele; // 當前節點中儲存的資料
}
public void addFirst(Object ele) {
Node node = new Node(ele); //需要儲存的節點物件
//進來一個節點，如果為空的話，它可定時第一個，也是最後一個
if (size == 0) {
this.first = node;
this.last = node;
}else {
node.next = this.first; // 把之前第一個作為新增節點的下一個節點，(進來一個，當前的只能當老二了。)
this.first.prev = node; // 把新增節點作為之前第一個節點的上一個節點
this.first = node; // 把新增的節點作為第一個節點
}
size++;
}
//這裡很重要，別忘記
public void addLast(Object ele) {
Node node = new Node(ele);
if (size == 0) {
this.first = node;
this.last = node;
}else {
this.last.next = node; // 新增節點作為之前最後一個節點的下一個節點(因為是加在後面，所以當前節點的下一個才是 新增節點)
node.prev = this.last; // 之前最後一個節點作為新增節點的上一個節點
this.last = node; // 把新增的節點作為最後一個節點
}
}
//原諒我複製了
public void remove(Object ele) {
// 找到被刪除的節點
Node current = this.first;// 確定為第一個節點,從頭到尾開始找
for (int i = 0; i < size; i++) {
if (!current.ele.equals(ele)) {// 當前為true !true 為false ,說明找到當前ele,輸出
if (current.next == null) { // 續上: 如果false取反為true, 判斷是否最後一個,
return;
}
current = current.next;
}
}
//刪除節點
if(current==first){
this.first = current.next; //當前的下一個作為第一個
this.first.prev = null; //當前下一個對上一個的引用設定為null
}else if(current==last){
this.last = current.prev;
this.last.next = null;
}else{
//把刪除當前節點的下一個節點作為刪除節點的上一個節點的next
current.prev.next =current.next;
//把刪除節點的上一個節點作為刪除節點下一個節點的prev
current.next.prev = current.prev;
}
size--;
//System.out.println("current =" + current.ele);
}
public String toString() {
if (size == 0) {
return "[]";
}
StringBuilder sb = new StringBuilder(size * 2 + 1);
Node current = this.first;// 第一個節點
sb.append("[");
for (int i = 0; i < size; i++) {
sb.append(current.ele);
if (i != size - 1) {
sb.append(",");
} else {
sb.append("]");
}
current = current.next; // 獲取自己的下一個節點
}
return sb.toString();
}
}
複製程式碼這個雙向列表有點難理解，還是看圖吧，
線性連結串列：
雙向連結串列：
先到這裡吧，gogogo，機會是留給有準備的人，