Java刷題時常用的標準庫資料結構和相應操作

目錄

• 一、線性表（廣義的陣列）
  • 1. 陣列
    • 一維陣列的定義和初始化
    • 二維陣列的定義和初始化
    • Arrays工具類的一些常用方法
  • 2. List介面容器
    • 物件的構建
    • 讀寫和插入刪除資料
    • 排序
    • 反轉陣列
    • List轉為陣列
• 二、字串
• 三、Map和Set
  • 1. Map
  • 2. Set
• 四、棧Stack和佇列Queue
  • 1. 棧Stack
  • 2. 佇列Queue
• 五、優先佇列

一、線性表（廣義的陣列）

在演算法題中，我們一般使用到的線性表一般有兩種，且它們的優缺點如下：

• 陣列
  • 優點：可以使用[]運算子進行隨機讀寫
  • 缺點：陣列大小固定，不能動態新增資料
• List物件
  • 優點：可以動態新增資料
  • 缺點：讀寫資料需要使用get(int index)和set(int index, Object object)，和陣列相比比較麻煩

1. 陣列

這裡陣列的主要用法和c++比較類似，這裡主要寫一下一些特殊的操作以及Arrays工具類提供的一些方法。

一維陣列的定義和初始化

① 直接指定固定大小：

int[] arr = new int[n];

則開闢的空間會填充上預設值：

• 數值型別填充0
• boolean型別填充false
• 物件型別填充null

② 定義時進行初始化

int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};

二維陣列的定義和初始化

① 和一維陣列一樣直接給定兩個維度的大小（行數和列數）：

int[][] matrix = new int[m][n];

② 和c++類似，二維陣列也可以像c++中的type** matrix一樣，先給第一個維度分配空間，然後再為第二個維度分配不同的空間，例如下面的程式碼分配下三角矩陣：

int n = 5;
int[][] matrix = new int[n][];
for (int i = 0; i < n; i++) {
    matrix[i] = new int[i + 1];
}

列印展示：

Arrays工具類的一些常用方法

在Java中原生陣列實際上並不是完全的物件導向的，對於List物件希望進行某項操作只需要使用.+方法即可，但陣列型別本身卻沒有帶有這些操作，因而Arrays工具類填補了這部分的空白。

① Arrays.fill()

Arrays.fill有兩個常見的使用：

• Arrays.fill(int[] array, int value)
• Arrays.fill(int[] array, int start, int end, int val)

這個函式是用於填充陣列的，第一個引數是陣列，第二個引數是填充的值，而第二種用法規定了填充的起止下標：[start, end)。

② Arrays.sort()

排序函式，一般也有兩種引數填充方法：

• Arrays.sort(int[] array)
• Arrays.sort(Object[] array, Comparator c) tips 只有物件陣列才能使用這種方式

第一種方式是按照預設的方式進行排序，數字型別按從小到大排，字串型別按字典序排，而第二種方式中填寫的第二個引數是用於改變預設的排序規則的，例如這裡我希望從大到小排序（）：

Integer[] arr = new Integer[]{1, 2, 3, 4, 5};
Arrays.sort(arr, new Comparator<Integer>() {
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o2 - o1;
    }
});
// 或者使用下面的更加簡潔的lambda表示式
Arrays.sort(arr, (num1, num2) -> num2 - num1);

由於新增Comparator物件的這種方式第一個引數只能是物件陣列，因此我這裡不再使用int[]而是改為了使用Integer[]。

這裡就會出現一個這樣的需求：如果我原來的型別是int[]，那麼如何轉換為Integer[]呢？這裡我們可以使用下面的程式碼進行轉化（其他的例如boolean到Boolean也可以按照如下方式轉化）：

int[] arrOrigin = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
Integer[] arr = (Integer[]) Arrays.stream(arrOrigin).boxed().toArray();

即將原陣列轉為stream物件後呼叫boxed方法得到Stream<Integer>，最後再呼叫Stream類中的toArray()成員方法即可從流重新轉為陣列。而Integer[]想要轉為int[]則需要呼叫Stream類的mapToInt(Integer::intValue).toArray()。

參考資料：https://codingdict.com/questions/3373

③ Arrays.toString(int[] array)

這個方法可以得到陣列完整的內容，而如果直接使用arr.toString()只會得到物件的地址等無用資訊。

④ Arrays.asList(int[] array)

將陣列轉為List物件：

Integer[] arr = new Integer[]{1, 2, 3, 4, 5};
List<Integer> list = Arrays.asList(arr);

此外這個函式還可以分散填寫各個List物件初始元素的值：

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

⑤ 反轉陣列

這裡可以使用工具類反轉的陣列也僅限是物件陣列（非物件陣列可能只能手寫反轉演算法了），參考程式碼如下：

String[] strArr = new String[]{"e", "d", "c", "b", "a"};
Collections.reverse(Arrays.asList(strArr));

輸出結果：

[a, b, c, d, e]

另外還有一些例如Arrays.copyOf等方法不太常用，這裡不再詳細介紹。

2. List介面容器

物件的構建

實現類一般使用ArrayList（此外還有LinkedList，但不常用），構造物件方式如下：

List<Integer> list = new ArrayList<>();

讀寫和插入刪除資料

讀：E get(int index)

寫：E set(int index, E element)

插入：boolean add(E e)和void add(int index, E element)

刪除：boolean remove(Object o)和E remove(int index)

排序

使用List的介面方法sort(Comparator c)（數字從大到小排）：

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
list.sort((num1, num2) -> num2 - num1);

輸出：

[5, 4, 3, 2, 1]

或者也可以使用Collections.sort(List l, Comparator c)，可以達到相同的效果。

反轉陣列

// Collections工具類靜態方法：Collections.reverse(List list)
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
Collections.reverse(list);

List轉為陣列

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
Integer[] arr = (Integer[]) list.toArray();

二、字串

以下api如果沒有標註則預設為String類成員方法。

操作	api	說明
獲取長度	int length()
獲取下標對應字元	char charAt(int index)
轉換為字元陣列	char[] toCharArray()
取子串	String substring(int beginIdx, int endIdx)	其中endIdx是可選的
轉為int等數字型別	靜態方法 Integer.parseInt(String str)	這是int型別的，其他型別以此類推
數值型別轉為字串	靜態方法 String.valueOf(T val)	這裡的T可以是int、double等型別
按分隔符切分字串	String[] split(String regex)	填入的是正規表示式
反轉字串	StringBuilder成員方法 string reverse()	需要藉助StringBuilder

這些容器類基本都會包含有獲取元素數量（size()）和判斷是否為空（empty()或isEmpty()）等相同的方法，因此後面的api表格只列出該類特有的操作。

三、Map和Set

1. Map

Map這裡一般使用的實現為HashMap，少數需要按照鍵進行排序時使用到TreeMap，構造物件如下：

Map<String, String> map = new HashMap<>();

常用操作和api：

操作	api
讀	V get(Object key)
寫	V put(K key, V value)
是否包含key	boolean containsKey(Object key)
是否包含value	boolean containsValue(Object value)

遍歷Map：

// 1. 使用forEach + lambda表示式(推薦)
map.forEach((key, value)-> {
	...
});
// 2. 使用for結合keySet()
for (String key : map.keySet()) {
    String value = map.get(key);
    ...
}

2. Set

和Map類似，這裡Set的實現一般也選擇HashSet，少數需要按照鍵進行排序時使用到TreeSet，構造物件如下：

Set<String> set = new HashSet<>();

常用操作和api：

操作	api
插入元素	boolean add(E e)
刪除元素	boolean remove(Object o)
是否包含元素	boolean contains(Object o)

同理，set也可以使用forEach+lambda以及增強for兩種寫法遍歷元素。

四、棧Stack和佇列Queue

1. 棧Stack

構造物件：

Stack<String> stack = new Stack<>();

常用操作和api：

操作	api
壓棧	E push(E item)
彈棧	E pop()
檢視棧頂元素	E peek()

2. 佇列Queue

Queue是一個介面，一般實現類取ArrayDeque。構造物件程式碼如下：

Queue<String> queue = new ArrayDeque<>();

常用操作和api：

操作	api
入隊	boolean offer(E e)
出隊	E poll()
檢視隊首	E peek()

五、優先佇列

構造物件：

PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>();

使用無引數建構函式時得到的是小頂堆，如果我們希望得到大頂堆則需要填入一個Comparator引數，如下為構造int型別大頂堆的方式：

PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>((o1, o2) -> o2 - o1);

其中填入的lambda表示式為新建Comparator匿名內部類的語法糖。

常用操作和api：

操作	api
入隊	boolean offer(E e)
出隊	boolean poll(E e)
檢視隊首（堆頂）	E peek()