程式碼面試需要知道的8種資料結構(附面試題及答案連結)

譯者按： 搞定面試，不要急著刷題，先弄懂什麼是資料結構！

• 原文：The top data structures you should know for your next coding interview
• 譯者：Fundebug

為了保證可讀性，本文采用意譯而非直譯。另外，本文版權歸原作者所有，翻譯僅用於學習。

1976年，一個瑞士電腦科學家寫一本書《Algorithms + Data Structures = Programs》。即：演算法 + 資料結構 = 程式。40多年過去了，這個等式依然成立。

很多程式碼面試題都要求候選者深入理解資料結構，不管你來自大學計算機專業還是程式設計培訓機構，也不管你有多少年程式設計經驗。有時面試題會直接提到資料結構，比如“給我實現一個二叉樹”，然而有時則不那麼明顯，比如“統計一下每個作者寫的書的數量”。

什麼是資料結構？

資料結構是計算機儲存、組織資料的方式。對於特定的資料結構(比如陣列)，有些操作效率很高(讀某個陣列元素)，有些操作的效率很低(刪除某個陣列元素)。程式設計師的目標是為當前的問題選擇最優的資料結構。

為什麼我們需要資料結構？

資料是程式的核心要素，因此資料結構的價值不言而喻。無論你在寫什麼程式，你都需要與資料打交道，比如員工工資、股票價格、雜貨清單或者電話本。在不同場景下，資料需要以特定的方式儲存，我們有不同的資料結構可以滿足我們的需求。

8種常用資料結構

1. 陣列
2. 棧
3. 佇列
4. 連結串列
5. 圖
6. 樹
7. 字首樹
8. 雜湊表

1. 陣列

陣列(Array)大概是最簡單，也是最常用的資料結構了。其他資料結構，比如棧和佇列都是由陣列衍生出來的。

下圖展示了1個陣列，它有4個元素：

每一個陣列元素的位置由數字編號，稱為下標或者索引(index)。大多數程式語言的陣列第一個元素的下標是0。

根據維度區分，有2種不同的陣列：

• 一維陣列(如上圖所示)
• 多維陣列(陣列的元素為陣列)

陣列的基本操作

• Insert – 在某個索引處插入元素
• Get – 讀取某個索引處的元素
• Delete – 刪除某個索引處的元素
• Size – 獲取陣列的長度

常見陣列程式碼面試題

• 查詢陣列中第二小的元素
• 查詢第一個沒有重複的陣列元素
• 合併2個排序好的陣列
• 重新排列陣列中的正數和負數

2. 棧

撤回，即Ctrl+Z，是我們最常見的操作之一，大多數應用都會支援這個功能。你知道它是怎麼實現的嗎？答案是這樣的：把之前的應用狀態(限制個數)儲存到記憶體中，最近的狀態放到第一個。這時，我們需要棧(stack)來實現這個功能。

棧中的元素採用LIFO (Last In First Out)，即後進先出。

下圖的棧有3個元素，3在最上面，因此它會被第一個移除：

棧的基本操作

• Push — 在棧的最上方插入元素
• Pop — 返回棧最上方的元素，並將其刪除
• isEmpty — 查詢棧是否為空
• Top — 返回棧最上方的元素，並不刪除

常見的棧程式碼面試題

• 使用棧計算字尾表示式
• 使用棧為棧中的元素排序
• 檢查字串中的括號是否匹配正確

3. 佇列

佇列(Queue)與棧類似，都是採用線性結構儲存資料。它們的區別在於，棧採用LIFO方式，而佇列採用先進先出，即FIFO(First in First Out)。

下圖展示了一個佇列，1是最上面的元素，它會被第一個移除：

佇列的基本操作

• Enqueue — 在佇列末尾插入元素
• Dequeue — 將佇列第一個元素刪除
• isEmpty — 查詢佇列是否為空
• Top — 返回佇列的第一個元素

常見的佇列程式碼面試題

• 使用佇列實現棧
• 倒轉佇列的前K個元素
• 使用佇列將1到n轉換為二進位制

4. 連結串列

連結串列(Linked List)也是線性結構，它與陣列看起來非常像，但是它們的記憶體分配方式、內部結構和插入刪除操作方式都不一樣。

連結串列是一系列節點組成的鏈，每一個節點儲存了資料以及指向下一個節點的指標。連結串列頭指標指向第一個節點，如果連結串列為空，則頭指標為空或者為null。

連結串列可以用來實現檔案系統、雜湊表和鄰接表。

下圖展示了一個連結串列，它有3個節點：

連結串列分為2種：

• 單向連結串列
• 雙向連結串列

連結串列的基本操作

• InsertAtEnd — 在連結串列結尾插入元素
• InsertAtHead — 在連結串列開頭插入元素
• Delete — 刪除連結串列的指定元素
• DeleteAtHead — 刪除連結串列第一個元素
• Search — 在連結串列中查詢指定元素
• isEmpty — 查詢連結串列是否為空

常見的佇列程式碼面試題

• 倒轉1個連結串列
• 檢查連結串列中是否存在迴圈
• 返回連結串列倒數第N個元素
• 移除連結串列中的重複元素

5. 圖

圖(graph)由多個節點(vertex)構成，節點之間闊以互相連線組成一個網路。(x, y)表示一條邊(edge)，它表示節點x與y相連。邊可能會有權值(weight/cost)。

圖分為兩種:

• 無向圖
• 有向圖

在程式語言中，圖有可能有以下兩種形式表示：

• 鄰接矩陣(Adjacency Matrix)
• 鄰接表(Adjacency List)

遍歷圖有兩週演算法

• 廣度優先搜尋(Breadth First Search)
• 深度優先搜尋(Depth First Search)

常見的圖程式碼面試題

• 實現廣度優先搜尋
• 實現深度優先搜尋
• 檢查圖是否為樹
• 統計圖中邊的個數
• 使用Dijkstra演算法查詢兩個節點之間的最短距離

6. 樹

樹(Tree)是一個分層的資料結構，由節點和連線節點的邊組成。樹是一種特殊的圖，它與圖最大的區別是沒有迴圈。

樹被廣泛應用在人工智慧和一些複雜演算法中，用來提供高效的儲存結構。

下圖是一個簡單的樹以及與樹相關的術語：

樹有很多分類：

• N叉樹(N-ary Tree)
• 平衡樹(Balanced Tree)
• 二叉樹(Binary Tree)
• 二叉查詢樹(Binary Search Tree)
• 平衡二叉樹(AVL Tree)
• 紅黑樹(Red Black Tree)
• 2-3樹(2–3 Tree)

其中，二叉樹和二叉查詢樹是最常用的樹。

常見的樹程式碼面試題

• 計算樹的高度
• 查詢二叉平衡樹中第K大的元素
• 查詢樹中與根節點距離為k的節點
• 查詢二叉樹中某個節點所有祖先節點

7. 字首樹

字首樹(Prefix Trees或者Trie)與樹類似，用於處理字串相關的問題時非常高效。它可以實現快速檢索，常用於字典中的單詞查詢，搜尋引擎的自動補全甚至IP路由。

下圖展示了“top”, “thus”和“their”三個單詞在字首樹中如何儲存的：

單詞是按照字母從上往下儲存，“p”, “s”和“r”節點分別表示“top”, “thus”和“their”的單詞結尾。

常見的樹程式碼面試題

• 統計字首樹表示的單詞個數
• 使用字首樹為字串陣列排序

8. 雜湊表

雜湊(Hash)將某個物件變換為唯一識別符號，該識別符號通常用一個短的隨機字母和數字組成的字串來代表。雜湊可以用來實現各種資料結構，其中最常用的就是雜湊表(hash table)。

雜湊表通常由陣列實現。

雜湊表的效能取決於3個指標：

• 雜湊函式
• 雜湊表的大小
• 雜湊衝突處理方式

下圖展示了有陣列實現的雜湊表，陣列的下標即為雜湊值，由雜湊函式計算，作為雜湊表的鍵(key)，而陣列中儲存的資料即為值(value)：

常見的雜湊表程式碼面試題

• 查詢陣列中對稱的組合
• 確認某個陣列的元素是否為另一個陣列元素的子集
• 確認給定的陣列是否互斥

參考

• Fundebug部落格 – Node.js面試題之2017
• Fundebug部落格 – 快速掌握JavaScript面試基礎知識(一)
• Fundebug部落格 – 快速掌握JavaScript面試基礎知識(二)
• Fundebug部落格 – 快速掌握JavaScript面試基礎知識(三)
• GeeksforGeeks

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